19Дек

Механизм изменения фаз газораспределения: / Variable Valve Timing, VVT

Содержание

Системы изменения фаз газораспределения | Газораспределительный механизм (ГРМ)

В обычном двигателе фазы газораспределения определяются формой кулачка распределительного вала и остаются неизменными во всех диапазонах работы двигателя. Однако постоянные фазы газораспределения не позволяют создавать оптимальные процессы смесеобразования.

Чтобы варьировать фазами газораспределения необходимо изменять положение распределительного вала относительно коленчатого.

Холостой ход. На этом режиме работы следует устанавливать такой угол поворота распределительного вала, который соответствует самому позднему началу открытия впускных клапанов (максимальный угол задержки, при минимальном перекрытии клапанов). Этим обеспечивается минимальное поступление отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя и снижение расхода топлива.

Режим низких нагрузок. Перекрытие клапанов уменьшается для минимизации поступления отработавших газов во впускной трубопровод, что улучшает стабильность работы двигателя.

Режим средних нагрузок. Перекрытие клапанов увеличивается, что позволяет снизить «насосные» потери, при этом часть отработавших газов поступает во впускной трубопровод, что позволяет снизить температуру рабочего цикла и вследствие этого содержание оксидов азота в отработавших газах.

Режим высоких нагрузок при низкой частоте вращения коленчатого вала. На этом режиме обеспечивается раннее закрытие впускных клапанов, что обеспечивает увеличение крутящего момента. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель бо­лее четко реагировать на изменение положения дроссельной заслонки, что, например, очень важно в транспортном потоке.

Режим высоких нагрузок при высокой частоте вращения коленчатого вала. Для того чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо перекры­тие клапанов около ВМТ с большим углом поворота коленчатого вала. Это связано с тем, что мощность в наиболь­шей степени зависит от максимально возможного количества топливно-воздушной смеси, попадающей в цилиндр за ко­роткое время, но, чем выше частота вращения, тем меньше время, отводимое на заполнение цилиндра.

Главными задачами системы изменения фаз газораспределения являются:

  • улучшение качества работы двигателя на холостом ходу
  • снижение расхода топлива
  • оптимизация крутящего момента в области средних и высоких частот вращения коленчатого вала
  • увеличение внутренней рециркуляции отработавших газов с сопутствующим ей снижением температуры газов при сгорании и уменьшением выброса оксидов азота
  • увеличение мощности в области высоких частот вращения коленчатого вала

В 90-е годы все больше и больше двигателей стали обору­доваться системами изменения фаз газораспределения таким образом, что угол перекрытия клапанов мог изменяться в со­ответствии с режимами работы двигателя. В этих системах, применяемых на двигателях DOHC (с двумя распределительными валами), монтировалось специальное устройство в привод­ную шестерню распределительного вала впускных клапанов. Такие устройства называют изменяемыми фазами газораспределения VIVT (Variable inlet valve timing).

Впервые изменение фаз газораспределения было применено на автомобилях Альфа Ромео в 1983 году. После этого такие системы стали применяться на автомобилях Мерседес, Ниссан, БМВ, Порше и др. Принцип действия привода поворота распределительного вала, для изменения фаз газораспределения, может быть механический, гидравлический, электрический и пневматический.

Как правило, изменение фаз газораспределения применяется в двигателях с двумя распределительными валами, один из которых служит для открытия впускных клапанов, другой – выпускных. Широкое распространение находят системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца. Изменение фаз газораспределения при таком виде производится только для впускных клапанов. Распределительный вал для открытия выпускных клапанов приводится во вращение от коленчатого вала двигателя через шестерню или звездочку ременной или цепной передачи 1, а распределительный вал для открытия впускных клапанов через цепную передачу от звездочки установленной на распределительном вале привода выпускных клапанов 2.

Рис. Привод системы с изменение натяжения цепи по принципу гидравлического кольца:
1 – привод распределительного вала для выпускных клапанов; 2 – звездочка распределительного вала для привода выпускных клапанов; 3 – звездочка распределительного вала для привода впускных клапанов

В систему изменения фаз газораспределения масло поступает через отверстие в головке блока. Изменение потоков масла осуществляется управляющим клапаном 1, передвигающим золотник 2, по сигналам блока управления двигателем.

Рис. Устройство для изменения фаз газораспределения по натяжению цепи:
1 – управляющий клапан; 2 – золотник; 3 – звездочка привода впускных клапанов; 4,9 – натяжитель цепи; 5 – толкатель натяжителя цепи; 6 – полость для масла; 7 – звездочка привода выпускных клапанов; 8 – фиксатор стартовый; 10 – управляющий поршень

Для изменения фаз газораспределения впускных клапанов служит гидравлический цилиндр с поршнем 10. При подаче масла в цилиндр по сигналу блока управления поршень, выдвигаясь, воздействует на натяжитель цепи. Одна сторона цепи начинает удлиняться, а противоположная укорачиваться, при этом происходит поворот звездочки для привода впускных клапанов, не связанной цепной передачей с коленчатым валом. Управление подачей масла осуществляется с помощью клапана 1, управляемого электронным блоком управления. Указанная система имеет дискретный двухпозиционный диапазон изменения фаз газораспределения, так как давление масла, развиваемое штатным масляным насосом, изменяется в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, и может служить только для движения поршня в верхнее или нижнее положение. Такой принцип изменения фаз газораспределения имеют серийные двигатели фирм Ауди, Порше и Фольксваген.

В зависимости от сигнала блока управления масло направляется в каналы А или В. При неработающем двигателе изменения натяжения цепи не происходит, ввиду отсутствия давления масла на управляющий поршень 6. Стартовый фиксатор 4 при этом входит в паз канавки управляющего поршня и стопорит его, исключая колебания цепи. Распределительный вал в данном случае устанавливается на более позднее открытие клапанов, соответствующее увеличению мощности двигателя.

Рис. Схема подачи масла в устройство изменения фаз газораспределения:
а – позднее открытие клапанов; б – раннее открытие клапанов; 1 – возврат масла; 2 – подвод масла; 3 – продувочное и масляное отверстие; 4 – фиксатор стартовый; 5 – полость для масла; 6 – управляющий поршень; 7 – управляющие каналы

После запуска двигателя, когда давление масла начинает возрастать, оно воздействует на плоскость стартового фиксатора, преодолевая натяжение его пружины. Стартовый фиксатор освобождает управляющий поршень и он, передвигаясь, натягивает цепь, устанавливая фазы газораспределения в положение раньше или позже, соответствующее увеличению крутящего момента или мощности двигателя. При открытом управляющем канале А, масло воздействует на поршень сверху и он натягивает цепь вниз, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большей мощности (позднее открытие клапанов).

При достижении частоты вращения коленчатого вала 1300 об/мин открывается канал В и масло воздействует на поршень снизу и он натягивает цепь вверх, устанавливая открытие клапанов в положение соответствующее большему крутящему моменту (раннее открытие клапанов).

Полость для масла служит для наполнения без давления плунжера натяжного устройства цепи нагнетательной полости при запуске двигателя. Это сказывается также положительно на шумовых свойствах при запуске двигателя. Отверстие 3 сверху полости для масла служит для вентиляции и смазки цепи.

В связи с все более повышающимися требованиями к уменьшению выбросов токсичных веществ с отработавшими газами в настоящее время разработаны устройства, которые могут из­менять фазы газораспределения во всем диапазоне возмож­ной частоты вращения коленчатого вала двигателя, как для впускных так и для выпускных клапанов, что позволяет регулировать количество остаточных отработавших газов в камере сгорания. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения позволяет также улучшить работу двигателя на холостом ходу и полных нагрузках, обеспечивая повышение крутящего момента и мощности.

Для увеличения давления на поршень может применяться отдельный масляный насос. Применения высокого давления позволяет устанавливать более точное положение распределительного вала в зависимости от нагрузки двигателя.

Необходимый угол изменения фаз газораспределения выбирается в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала по полю параметрических характеристик. Отклонение необходимого угла поворота распределительного вала от истинного угла рассчитывается по алгоритму блока управления, согласно выданному значению которого, изменяется ток в клапане управления давлением масла. Клапан управления в свою очередь изменяет давление масла на исполнительный механизм, позволяющий поворачивать распределительный вал. Частота вращения коленчатого вала определяется индуктивными датчиками, установленными на коленчатом или распределительном валах, считывающими частоту вращения по зубчатым колесам, установленным на валах.

Распределительный вал привода впускных клапанов может поворачиваться и с помощью поршня.

Рис. Схема устройства изменения фаз газораспределения:

1 – головка блока; 2 – распределительный вал; 3 – звездочка привода распределительного вала; 4 – поршень; 5 – электромагнит; 6 – якорь-клапан; 7 – косозубые шлицы; а – поздние фазы; б – ранние фазы; в – соединение деталей устройства косозубыми шлицами

Устройство устанавливается на переднем конце распределительного вала, управляющего впускными клапанами.

При низких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается позднее открытие впускных клапанов и минимальное перекрытие клапанов, что позволяет добиться минимально воз­можного обратного выброса отработавших газов во впускной канал, увели­чения крутящего момента и снижения расхода топлива. В этом положении якоря-клапана его вертикальный канал соединен с пространством с правой стороны поршня, так как электромагнит 5 устройства выключен. Поршень 4 отжат влево под воздействием пружины и давления масла, поступающего через якорь-клапан 6.

На высоких частотах по команде электронного блока управления двигате­лем включается электромагнит 5, сердечник кото­рого соединяет вертикальный канал с пространством с левой стороны поршня. Масло из центрального отверстия распределительного вала поступает под поршень 4, имеющий внутренние и наружные косые шлицы. Ответные шлицы име­ет конец вала и ступица звездочки цепи 3. Двигаясь в направ­лении «назад», поршень за счет шлицев обеспечивает сдвиг звездочки в окружном направлении относительно вала на 12…15° в сторону более раннего впуска. Это позволяет увели­чить крутящий момент двигателя на высоких частотах враще­ния. Подобные механизмы устанавлива­ются на двигателях (MERCEDES-BENZ, ALFA ROMEO и др.) с двумя верхними распределительными валами.

В конструкции двигателей БМВ применены принципы работы обоих вышеописанных способов изменения фаз газораспределения.

Рис. Бесступенчатое изменение фаз газораспределения фирмы БМВ:
1 – управляющий поршень; 2 – косозубая шестерня; 3 – прямозубая шестерня; 4 – натяжитель цепи

Косозубая шестерня 2 может перемещаться в продольном направлении при воздействии масла на управляющий поршень.

Перемещаясь, она сдвигает в окружном направлении звездочку привода распределительного вала. Применение такой конструкции позволяет изменять фазы газораспределения не только для впускных (до 60°), но и для выпускных клапанов (до 46°).

Альтернативной вышеизложенным системам является более дешевая конструкция системы изменения фаз газораспределения, действующая с использованием гидроуправляемой муфтой.

Рис. Схема системы непрерывного изменения фаз газораспределения с гидроуправляемой муфтой:
1 – масляный насос; 2 –электронный блок управления двигателем; 3 – датчик Холла для распределительного вала привода выпускных клапанов; 4 – датчик Холла для распределительного вала привода впускных клапанов; 5 – распределительный вал для впускных клапанов; 6 – распределительный вал для выпускных клапанов; 7 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для впускных клапанов; 8 – электрогидравлический распределитель распределительного вала для выпускных клапанов; 9 – рабочие полости; 10 – ротор; 11 – гидроуправляемая муфта; а – общая схема; б – поворот ротора относительно корпуса вправо; в – поворот ротора относительно корпуса влево

Рис. Общий вид системы непрерывного изменения фаз газораспределения с использованием лопастного гидравлического двигателя:

Привод состоит из двух частей – внутренней с закручивающимся ротором 10, связанной с распределительным валом и внешней 11, приводимой цепью или ременной передачей от коленчатого вала. Связь между обеими частями осуществляется с помощью масляной полости, в которой выступы ротора или лопасти поворачивают ротор влево или вправо. Одновременно с ротором поворачивается распределительный вал, на который навинчен ротор.

Давление масла в рабочей камере зависит от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и температуры двигателя. Положение распределительного вала относительно коленчатого вала во время работы двигателя может быть как переменным, так и постоянным (фиксированным). Питание рабочей полости осуществляется от системы смазки двигателя.

Жесткая связь между приводной звездочкой и ротором, связанным с распределительным валом, существует только во время запуска двигателя. Некоторые производители, например Ауди, при запуске двигателя блокируют ротор при запуске двигателя специальным плунжером, управляемым гидравлической системой, что позволяет установить распределительный вал привода впускных клапанов в положении наиболее благоприятного впуска топливовоздушной смеси. При наполнении масляной полости маслом, внутренняя и внешняя части привода разъединяются. При самом большом давлении масла распределительные валы поворачиваются в положение соответствующее наиболее позднему впуску горючей смеси и наиболее раннему выпуску отработавших газов.

Управляющий электрогидравлический распределитель 8 состоит из гидравлической части и электромагнита. Клапан установлен на корпусе распределительных валов и подключен к системе смазки двигателя. В цилиндре распределителя установлен золотник, перемещение которого приводит к изменению потоков масла. Управление положением золотника управляющего распределителя происходит по сигналу электронного блока управления 2. В зависимости от положения распределителя масло подается к гидроуправляемой муфте через один или через оба канала. Подключением того или иного канала производится перестановка ротора в положение «рано» или «поздно» или же он удерживается в определенном фиксированном положении.

Исходное положение золотника определяется натяжением возвратной пружины.

Диапазон перестановки распределительного вала составляет 40° по углу поворота коленчатого вала или 20° по углу поворота распределительных валов.

В настоящее время системы непрерывного изменения фаз газораспределения применяются на двигателях Ауди, Фольксваген, Тойота, Рено, Вольво и др.

Изменение фаз газораспределения — Энциклопедия журнала "За рулем"

Выбор фаз газораспределения — один из инженерных компромиссов. Для того, чтобы получить максимальную мощность при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить существенное перекрытие клапанов в районе ВМТ, потому что мощность в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества горючей смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но чем выше частота вращения коленчатого вала, тем меньше отводимое на это время. С другой стороны, при малых оборотах, когда не требуется максимальная мощность, лучше, когда угол перекрытия близок к нулю. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более чутко реагировать на изменение положения педали «газа», что очень важно при движении автомобиля в транспортном потоке.

Рис. Схема работы механизма изменения фаз газораспределения: α° — диапазон изменения фаз газораспределения

В начале 1990-х гг. появились двигатели с автоматическими устройствами для изменения фаз газораспределения. Обычно в приводном шкиве (или звездочке) распределительного вала впускных клапанов размещается специальное устройство, которое имеет гидравлический привод от смазочной системы двигателя и может поворачивать распределительный вал относительно приводной звездочки (шкива) и, следовательно, относительно коленчатого вала.

При этом впускные клапаны могли открываться и закрываться раньше или позже. Изменение фаз открытия и закрытия впускных клапанов оказывает больший эффект, чем изменение аналогичных фаз выпускных клапанов. Первые устройства обеспечивали простое переключение в два положения, обеспечивая один угол перекрытия для малых оборотов двигателя, а другой — для высоких оборотов и нагрузки. Этого было достаточно для того, чтобы обеспечить хороший пуск, достаточный крутящий момент при сравнительно малых оборотах и нагрузках двигателя и возможность достижения большой мощности при высоких оборотах. Постепенно были разработаны устройства, которые могли изменять фазы газораспределения во всем диапазоне оборотов двигателя, а некоторые производители начали изменять фазы открытия-закрытия выпускных клапанов, в основном для того, чтобы снизить выбросы вредных веществ. Сегодня изменяемые фазы газораспределения VIVT (Variable Inlet Valve Timing) стали общепринятыми и появился целый ряд двигателей, оборудованных системой изменения фаз газораспределения во всем диапазоне.
В некоторых ГРМ имеется возможность отключать один из впускных клапанов в каждом цилиндре. Такое устройство используется компанией Honda в высокофорсированном двигателе CVT. Здесь не обеспечивается полное отключение клапана, а происходит его открытие на небольшую величину в целях исключения возможности его прихвата к седлу.

Альтернативной разработкой, впервые использовавшейся фирмой Toyota, а сейчас широко применяемой в двигателях с двумя впускными клапанами на цилиндр, стало простое закрытие одного из впускных патрубков с помощью автоматически управляемой заслонки. Обычно два впускных патрубка имеют разную форму: один, который всегда остается открытым, имеет форму, которая обеспечивает турбулизацию горючей смеси в камере сгорания, чтобы создать хорошо перемешанный поток, необходимый работе двигателя на малых оборотах, и другой, короткий прямой патрубок, открывающийся при высоких оборотах и нагрузке обеспечивает максимально возможное наполнение цилиндров. Двигатели, имеющие устройства такого типа, получили название двигателей с изменяемой длиной впускных трубопроводов. Более сложные системы могут постоянно и плавно изменять длину впускных трубопроводов.

Перспективными конструкциями ГРМ являются механизмы без распределительного вала, в которых клапаны управляются индивидуальными устройствами с помощью электромагнитных соленоидов. Использование такой техники дает возможность индивидуального контроля за работой каждого клапана. При этом можно не только оптимально управлять временем открытия каждого клапана и обеспечивать получение максимальных мощности или крутящего момента, но и отключать некоторые цилиндры полностью или переводить их на малую нагрузку для более эффективной работы остальных цилиндров. Можно переводить двигатель в режим компрессора, разгружая, таким образом, тормоза, и, возможно, запасая часть энергии при спуске с возвышенности (рекуперация). Но главное преимущество этой системы заключается в том, что время и степень открытия клапанов в любой момент времени могут быть оптимальными для работы двигателя при данных условиях движения.
Сегодня уже созданы такие экспериментальные системы с хорошей эффективностью действия (уменьшено потребление топлива до 20 %). Кроме того, конструкция самого двигателя может быть упрощена, потому что обычный привод — цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы — становятся ненужными.
Препятствием на пути к широкому применению таких «бескулачковых» клапанных механизмов является большое потребление электроэнергии и большие габариты при водных устройств, получаемые при существующем 12-вольтовом электрооборудовании. Эти проблемы значительно уменьшаются в случае повышения рабочего напряжения на борту в несколько раз.

Что такое система изменения фаз газораспределения

Эффективность работы любого ДВС, КПД двигателя, показатель мощности, моментная характеристика и топливная экономичность напрямую зависят от ряда факторов. Одной из важных составляющих в списке являются фазы газораспределения. Ответить на вопрос, что такое фазы газораспределения двигателя, можно следующим образом. Под такими фазами стоит понимать своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов.

Большинство современных ДВС все более активно получают систему изменения фаз газораспределения, хотя еще около 20 лет назад массово доступный четырехтактный двигатель данной системы не имел. В обычном моторе клапаны открываются благодаря воздействию на них кулачков распределительного вала. Форма профиля кулачка распредвала определяет момент и продолжительность открытия клапана.

Указанные параметры составляют так называемую ширину фазы газораспределения.  Дополнительным параметром также является величина хода клапана (высота его подъема). Стоит учитывать, что топливно-воздушная смесь и отработавшие газы во впуске, в цилиндре ДВС и на выпуске ведут себя не одинаково, что зависит от различных режимов его работы. Скорость течения динамично изменяется, появляются колебания газовых сред, которые приводят к резонансам или застою. Все это влияет на эффективность наполнения цилиндров и их продувки на разных режимах работы силового агрегата.

Фиксированные фазы газораспределения заставляют конструкторов ДВС проектировать мотор так, чтобы присутствовала уверенная тяга в диапазоне низких и средних оборотов, но при этом оставался запас мощности для поддержания набранной скорости и дальнейшего ускорения автомобиля при выходе ДВС на режимы около зоны максимальных оборотов. Дополнительно необходимо обеспечить устойчивую работу силового агрегата на холостом ходу, эластичность на переходных режимах, а также экономичность и экологичность силовой установки. Если фазы газораспределения фиксированы, то улучшение одних параметров закономерно повлечет ухудшение других. Для решения этой задачи была разработана система изменения фаз газораспределения, которая гибко и динамично изменяет основные параметры работы ГРМ зависимо от того режима, в котором работает двигатель в определенный момент.

Система изменения фаз газораспределения VVT (англ. Variable Valve Timing) создана для динамичной корректировки рабочих параметров механизма газораспределения. Данное управление осуществляется с учетом различных режимов работы силового агрегата. Использование указанной системы регулировки фаз газораспределения позволяет добиться повышения мощности мотора и моментной характеристики. Система VVT обеспечивает экономию горючего, а также снижает токсичность выхлопных газов в процессе работы двигателя.

Система изменения фаз газораспределения влияет на основные параметры работы газораспределительного механизма. К таким параметрам относят моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, длительность времени открытия клапана и высоту его подъема. Указанные параметры представляют собой в итоге фазы газораспределения, так как от них зависит продолжительность такта впуска и выпуска, что выражается тем углом, на который повернут коленчатый вал двигателя по отношению к мертвым точкам (ВМТ и НМТ) во время движения поршня в цилиндре. Форма кулачка распределительного вала определяет фазу газораспределения, так как указанный кулачок оказывает прямое воздействие на впускной или выпускной клапан ГРМ.

Содержание статьи

Для чего необходима система изменения фаз газораспределения

Для достижения наибольшей эффективности применительно к динамично изменяющимся режимам работы ДВС необходима различная величина фаз газораспределения. В режиме холостого хода наиболее рациональными становятся «узкие» фазы газораспределения, под которыми понимается позднее открытие и ранее закрытие клапанов. При этом исключается перекрытие фаз, под которым понимается время одновременного открытия впускного и выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы исключить попадание выхлопных газов во впуск и выброс топливно-воздушной смеси в выпускной коллектор.

Выход мотора на режим максимальной мощности означает повышение оборотов, так как распредвал крутится быстрее и время открытия клапанов сокращается. Для того чтобы не терялась мощность и крутящий момент на высоких оборотах сохранялся, в двигатель должно поступать намного больше топливно-воздушной смеси, а выпуск отработавших газов должен быть реализован максимально эффективно. Задача решается путем раннего открытия клапанов и увеличения времени их открытия, делая фазу «широкой». Фаза перекрытия также расширяется до максимума с ростом оборотов, что необходимо для качественной продувки цилиндров.

Если мотор работает на низких оборотах, нужны максимально короткие фазы газораспределения. Это означает, что время открытия клапанов должно быть минимальным по продолжительности, обеспечивая так называемые «узкие» фазы. Высокие обороты двигателя требуют полной противоположности в виде «широких» фаз газораспределения. Время открытия клапана должно быть увеличено до максимума, параллельно обеспечивая такты впуска и выпуска, а также эффективное перекрытие.

Сам кулачок распредвала имеет форму, которая способна обеспечить как реализацию узкой, так и широкой фазы. Проблема заключается в том, что фиксированная форма кулачка не позволяет одновременно добиться узких и широких фаз газораспределения. Получается, форма кулачка подобрана с расчетом на возможный оптимальный баланс между высоким показателем крутящего момента на низких оборотах ДВС и максимальной мощностью агрегата в режиме высокой частоты вращения коленчатого вала. Система изменения фаз газораспределения позволяет намного более гибко изменять эти параметры, буквально «подстраивая» ГРМ  под конкретный режим работы двигателя для достижения лучшей отдачи от мотора и топливной экономичности.

Системы изменения фаз газораспределения представлены несколькими видами. Главные отличия заключаются в тех и или иных параметрах регулировки ГРМ в процессе его работы.  Сегодня используются следующие решения для управления фазами газораспределения:

  • система поворота распредвала;
  • кулачки распредвала с различным профилем;
  • система изменения высоты подъема клапанов;

Система на основе гидроуправляемой муфты

Широкое распространение получили системы изменения фаз газораспределения, принцип работы которых основан на осуществлении поворота распредвала. К таким схемам управления фазами газораспределения относят: японскую систему VVT-i, Dual VVT-i, решение немецкого концерна BMW под названием VANOS, Double VANOS, схему VVT от Volkswagen, управление фазами газораспределения VTEC от Honda, систему CVVT брендов Hyundai, Kia и концерна GM, регулировку фаз VCP от Renault и т.д.

Работа указанных выше систем основывается на небольшом повороте распредвала по ходу его вращения. Такой способ позволяет добиться раннего открытия клапанов сравнительно с их базовым начальным положением. Данный тип систем изменения фаз газораспределения конструктивно состоит из специальной муфты, которая управляется гидравлическим способом, а также дополнительной системы управления указанной муфтой. Гидроуправляемая муфта среди автомехаников получила название фазовращатель.

Поворот распредвала осуществляется при помощи электроники управления и гидравлики, а сама система чаще всего затрагивает только впускные клапаны. Рост оборотов ДВС приводит к тому, что фазовращатель осуществляет проворот распредвала по ходу его вращения, впускные клапана открываются раньше и цилиндры намного более эффективно наполняются рабочей смесью в режиме высоких оборотов.

Получается, гидроуправляемая муфта реализует поворот распредвала ГРМ. Данная муфта конструктивно включает в себя:

  • ротор, который соединен с распредвалом;
  • корпус, которым выступает шкив привода распредвала;

В определенные полости, которые расположены между ротором и корпусом-шкивом, попадает моторное масло из системы смазки ДВС. Масло в муфту подается по особым каналам. Когда моторное масло заполняет одну или другую полость муфты, осуществляется поворот ротора по отношению к корпусу. Этот поворот ротора означает, что и распределительный вал будет повернут на необходимый угол.

Чаще всего местом установки гидроуправляемой муфты становится привод того распределительного вала, который отвечает за работу впускных клапанов. Встречаются также конструкции ДВС, когда подобные муфты-фазовращатели стоят как на впускном распредвале, так и на выпускном. Данное решение позволяет  шире и эффективнее регулировать параметры работы ГРМ на впуске и выпуске, но усложняет механизм.

Электронное управление автоматически регулирует работу гидроуправляемой муфты. Система такого управления включает в себя:

  • группу входных датчиков;
  • электронный блок управления;
  • список исполнительных устройств;

Система управления получает показания от датчика Холла, который производит оценку положения распредвалов. Дополнительно задействованы  и другие датчики, которые используются ЭБУ для управления работой всего двигателя.

К таковым относят датчик, измеряющий частоту вращения коленвала, температурный датчик охлаждающей жидкости (ОЖ), датчик расхода воздуха и другие. Сигналы от этих датчиков подаются в ЭБУ, который после отправляет соответствующий сигнал на  специальное управляющее (исполнительное) устройство.

Таким устройством, на которое воздействует электронный блок управления двигателем, является электромагнитный клапан (электрогидравлический распределитель). Клапан представляет собой распределитель, который при необходимости открывает доступ потоку моторного масла к гидроуправляемой муфте, а также реализует отвод масла от фазовращателя. Это зависит от того, в каком режиме работает силовой агрегат.

Данная схема изменения фаз газораспределения с использованием муфты задействуется в момент работы двигателя на холостом ходу, (мотор работает на самых низких оборотах), в режиме максимальной мощности на высоких оборотах, а также в том режиме, когда осуществлен выход ДВС на максимум крутящего момента.

Система ступенчатого изменения фаз газораспределения

Эволюция систем изменения фаз газораспределения позволила инженерам не только осуществлять сдвиг фаз, но и эффективно выполнять их расширение и сужение. Следующим типом систем изменения фаз газораспределения являются решения, основанные на использовании кулачков  распредвала разной формы. Благодаря такому способу удается достичь ступенчатого изменения момента времени, на который открывается клапан, а также изменить саму высоту подъема клапанов. В списке подобных систем находится VVTL-i от автогиганта Toyotа, VTEC японской Honda и MIVEC от Mitsubishi, решение от Audi под названием Valvelift System и другие.

Указанные системы похожи друг на друга как конструктивно, так и по принципу действия. Немного отличается только немецкая Valvelift System. Наибольшую известность получила системаVVTL-i, VTEC и MIVEC. В основе таких систем изменения фаз газораспределения находятся кулачки с различным профилем, а также система управления.  Распределительный вал в таких системах управления фазами газораспределения выполнен так, что имеет сразу два кулачка малого размера, а также один кулачок большего размера. Меньшие кулачки при помощи специального рокера (коромысла) соединяются с впускными клапанами. Большой кулачок отвечает за перемещение одного незадействованного коромысла.

Такая система изменения фаз газораспределения позволяет переключаться с малых кулачков на большой зависимо от режима работы ДВС. Переход между режимами достигается благодаря тому, что происходит срабатывание специального механизма блокировки. Указанный блокирующий механизм основан на гидравлическом приводе.

Когда мотор работает на низких оборотах и при незначительной нагрузке, впускные клапаны приводятся в действие малыми кулачками распределительного вала, фазы газораспределения  в таком режиме имеют небольшую продолжительность (узкая фаза).

Если двигатель раскручивается до определенных оборотов, система управления активирует механизм блокировки. В результате происходит соединение коромысел малых и большого кулачков, что обеспечивает жесткость конструкции. Соединение происходит при помощи особого стопорного штифта, а усилие на впускные клапаны начинает поступать от единственного большого кулачка. Малые кулачки распредвала на высоких оборотах двигателя становятся неактивными.

Существующие разновидности систем VTEC могут иметь сразу три режима регулирования ГРМ. В данной модификации на низких оборотах ДВС работает один малый кулачок распредвала, который осуществляет открытие только одного впускного клапана. Два маленьких кулачка задействуются в режиме средних нагрузок и оборотов двигателя, обеспечивая открытие двух впускных клапанов. Большой кулачок вступает в действие при выходе силовой установки на режим оборотов, приближенных к максимальным.

Система изменения фаз газораспределения I-VTEC, которая представлена производителем Honda, объединила в себе главные преимущества решений как VTC, так и VTEC. Регулирование по трем ступеням обеспечивает существенную экономию топлива. При низкой частоте вращения половина впускных клапанов практически не имеет активности. Увеличение частоты вращения до уровня средних оборотов подключает дезактивированные клапаны, но высота их подъема не подразумевает полного открытия.

Выход на режим максимальных оборотов заставляет впускные клапаны работать от центрального кулачка большого размера. Указанный кулачок имеет особый профиль, который специально подобран для достижения максимального подъема клапанов, что означает повышение отдачи от ДВС на мощностных режимах работы агрегата. Такой подход значительно расширил возможности управления параметрами ГРМ для эффективного регулирования работы двигателя на различных режимах.

Если рассмотреть пример с системой VVTL-i от Toyota, то после выхода мотора с таким решением на обороты около 6000 об/мин стандартный кулачек распредвала исключается из работы и замещается кулачком с измененным профилем. Указанный кулачек обеспечивает дугой алгоритм работы клапана, сдвигает (расширяет) фазу и увеличивает высоту его подъема. На практике это будет означать, что при выходе мотора на режим высоких оборотов у двигателя появится резкий прирост тяги, необходимый для обеспечения дальнейшего уверенного разгона.

Схема работы системы VVTL-i строится на следующем алгоритме. Время открытия и высота подъема впускных клапанов регулируется аналогично другим решениям. Когда мотор работает в режиме оборотов до 6000 об/мин, тогда воздействие на клапан осуществляет меньший кулачок распредвала, который оказывает нажатие на рокер и таким образом открывает клапана. После набора оборотов выше заданной отметки управлять открытием клапанов начинает высокий кулачок с особым профилем. Для его активации специальный сухарь под давлением масла перемещается.

За своевременную подачу моторного масла по специальной магистрали в точно необходимый момент отвечает система управления. Давление масла и перемещение сухаря позволяет кулачку распредвала через специальный шток, который до этого находился в свободном положении, начать воздействовать на клапан посредством коромысла.

Система регулирования высоты подъема клапана

Дальнейшее развитие систем изменения фаз газораспределения привело к появлению сложных решений, которые основаны на управлении высотой подъема клапанов. Новатором в данной области стала компания BMW, представившая систему под названием Valvetronic на своих моторах в 2001 году.

Регулирование высоты подъема клапана дополнительно позволило исключить из схемы дроссельную заслонку применительно к основным режимам работы ДВС. Наличие заслонки заметно снижает эффективность наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью в режиме низких и средних оборотов. Причина кроется в том, что во впускном коллекторе (в области дросселя) в процессе работы ДВС возникает разрежение. Топливно-воздушная смесь в таких условиях разрежения становится инертной, цилиндры наполняются менее эффективно, реакция на нажатие педали газа теряет остроту и становится замедленной.

Лучшим решением данной проблемы становится механическое открытие впускного клапана на такой момент времени, который необходим для эффективного наполнения цилиндра рабочей топливно-воздушной горючей смесью. Продолжительность фазы впуска (впускной фазы) в системах регулирования высоты подъема клапана изменяется зависимо от того, как сильно была нажата педаль газа. Система бездроссельного управления позволяет заметно экономить топливо (до 15% сравнительно с другими решениями), а также повышает мощностную характеристику на 10 % и более.

Конструктивно ГРМ в таких системах способен управлять работой силовой установки на разных режимах. На похожем принципе основываются также решения Valvematic от Toyota, решение VEL компании Nissan, VTI от Peugeot и другие. Что касается системы изменения высоты подъема клапана Valvetronic, возможность управления данным параметром реализована благодаря специальной кинематической схеме. Решение Valvetronic ставится на впускные клапаны. Традиционная конструкция, которая включает в себя кулачок распредвала, рокер (коромысло) и клапан, получила развитие в виде установки дополнительных элементов.

 

Система имеет эксцентриковый вал, а также промежуточный рычаг. Указанный эксцентриковый вал начинает вращаться при помощи усилия, которое создает электродвигатель посредством червячной передачи.

Такое вращение эксцентрикового вала оказывает воздействие на промежуточный рычаг, в результате чего изменяется его положение (происходит смещение точки опоры). Смена положения заставляет коромысло двигаться так, чтобы переместить (открыть) клапан точно на необходимую величину.

Система изменения высоты подъема клапана работает постоянно, а высота подъема клапанов напрямую зависит от того или иного режима работы силового агрегата. Клапана могут подниматься в переделах от 0,2 до 12 мм. Система VEL от компании Ниссан обеспечивает высоту подъема клапана в рамках от 0,5 до 2 мм.

Электромагнитный привод клапана

Сегодня конструкторы ДВС практически полностью используют потенциал ГРМ. Проектируется максимально возможное количество клапанов на цилиндр, а сами размеры клапана достигли своего предела. Но эволюция двигателя на данном этапе продолжается. Улучшить наполняемость и продувку цилиндров двигателя можно также за счет скорости, с которой возможно реализовать открытие и закрытие клапанов. Речь идет о ГРМ, в котором клапана имеют электромагнитный (электромеханический) привод, который заменяет механический с электронным управлением. Более того, распределительный вал в таком ГРМ полностью отсутствует.

Электромагнитный привод ГРМ получил название EVA (англ. Electromagne­tic Valve Actuator) и позволяет изменять фазы газораспределения максимально широко. Система с электромагнитным приводом может открывать только нужные клапана (что аналогично управляемому отключению цилиндров), причем делать это в точно определенный момент зависимо от режима работы ДВС. Решение способно экономить топливо на холостом ходу, в момент торможения двигателем и т.п. Количество попадающего в цилиндр двигателя воздуха регулируется временем открытия впускного клапана.

 

Сама длина хода клапана не является регулируемым параметром. Клапан крепится за счет пружины, а также имеет якорь. Такой якорь электромагнитного клапана размещен между двумя электромагнитами определенной мощности. Задачей таких электромагнитов становится удержание клапана в том или ином крайнем положении.

Точность положения, в котором необходимо осуществить фиксацию клапана, определяется предназначенным для этого отдельным датчиком. Снижение  разрушительных нагрузок на электромагнитный ГРМ в момент приближения клапана к его крайней точке (особенно в момент посадки клапана в седло) осуществляется благодаря «торможению» клапана.

Читайте также

Системы изменения фаз ГРМ

Общественная организация НАПА предоставляет техническую информацию по современным системам и узлам автомобиля.

 

Приведенная ниже информация носит исключительно ознакомительный характер и будет актуальной для всех работников автомобильной отрасли.

Для удобного использования материалы структурированы по категориям на сайте НАПА. Список тем будет постепенно пополняться.


 

Постоянно растущие требования к современному автомобилю заставляют производителей авто разрабатывать и улучшать различные конструктивные элементы, повышать качество узлов и компонентов, создавать более современные узлы.

Двигатели современных автомобилей также претерпели изменения. Современные двигатели должны быть достаточно мощными с высоким крутящим моментом, экономичным расходом топлива и низким уровнем выбросов вредных веществ в отработавших газах.

Наибольшее распространение получили два типа ГРМ двигателей. Первый – это двигатель, у которого газораспределительный механизм (ГРМ) имеет один распределительный вал и клапана, расположенные в головке блока цилиндров (ГБЦ). Он обозначается SOHC (Single OverHead Camshaft). И второй – это двигатель c двумя распределительными валами, также расположенными в ГБЦ (DOHC - Double OverHead Camshaft).

При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этих механизмов, основное отличие заключается в количестве клапанов. DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр, т.е. два впускных клапана и два выпускных. Такое количество клапанов повышает качество и скорость наполнения цилиндров воздушно-топливной смесью. Особенно это актуально, когда двигатель работает под нагрузкой или на повышенных оборотах.

SOHC

DOHC

Если при неизменном составе топливно-воздушной смеси повышать частоту оборотов коленвала ДВС (двигатель внутреннего сгорания), сохраняя постоянный угол опережения искрообразования, то будет наблюдаться все более позднее развитие процесса сгорания. И как следствие: повышение расхода топлива, снижение мощности двигателя и увеличение выброса в атмосферу с отработавшими газами окиси углерода (СО) и не полностью сгоревших углеводородов СхНу.

Одним из способов сохранения технических показателей двигателей является применение газораспределительной системы с изменяемыми фазами. Наиболее важным для высокоскоростных бензиновых двигателей серийного производства считается момент закрытия впускного клапана. Поэтому постоянно ведутся работы, направленные на усовершенствование конструкций системы газораспределения с изменяемыми фазами и увеличение диапазона их применения на различных двигателях.

В данном пособии мы хотели бы достаточно подробно описать конструкции и принцип действия новых систем изменения фаз газораспределения.

Каждый производитель разработал свою конструкцию системы, и назвал по-своему.

Механизм газораспределения с изменяемыми фазами – это система, которая изменяет время открытия впускных клапанов, чтобы достичь оптимального момента их открытия.

Некоторые производители применили конструкцию, которая меняет время открытия и закрытия впускных клапанов, путем изменения положение кулачков распредвала относительно шкива. Такая система изменения фаз газораспределения применяется на автомобилях марки Volkswagen, Alfa Romeo, Peugeot Citroën и др. В частности на двигателях V6 рабочим объемом 2,8 л и V5 рабочим объемом 2,3 л. В дальнейшем ее предполагается использовать на других двигателях, в частности на двигателях W8 и W12.

Непосредственно на распределительный вал устанавливается или интегрируется в шкив гидроуправляемая муфта, которая по сигналу электронного блока управления двигателем через систему масляных каналов проворачивает распределительный вал.

Некоторые производители аналогичную муфту устанавливают на выпускном распределительном вале. Обе муфты являются гидравлическими устройствами и подключены через корпус механизма газораспределения к системе смазки двигателя.

Технология VVT-i

Технология VTEC

 

VVT-i (Variable Valve Timing with intelligence) - система газораспределения с изменяемыми фазами от Toyota. Является разновидностью технологии VVT и CVVT. Включает в себя, по мере развития, технологии VVT-i, VVTL-i, Dual VVT-i, VVT-iE и Valvematic.

Технология VVT-i была впервые выпущена на рынок в 1996 году и заменила собой первое поколение VVT (1991 год, двигатель 4A-GE).

Принцип VVT-i

В зависимости от условия работы двигателя, система VVT-i плавно изменять фазы газораспределения. Это достигается путем поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных в диапазоне 20-30° (по углу поворота коленвала). В результате изменяется момент начала открытия впускных клапанов и величина времени «перекрытия» (то есть времени, когда выпускной клапан еще не закрыт, а впускной — уже открыт).

Основным элементом устройства является муфта VVT-i интегрированная в шкив, который выполняет роль корпуса муфты. Ротор муфты находится внутри и непосредственно соединен с распределительным валом.

Изначально фазы впускных клапанов установлены таким образом, чтобы добиться максимального крутящего момента при низкой частоте вращения коленвала. После того, как обороты значительно увеличиваются в корпусе муфты сделано несколько полостей, к которым по каналам подводится моторное масло из системы смазки.

Возросшее давление масла открывает клапан VVT-i, заполняя ту или иную полость, обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и, соответственно, смещение распределительного вала на определенный угол.

Кулачки имеют определенную форму и при повороте коленчатого вала открывают впускные клапана немного раньше, а закрывают позже, что благоприятно сказывается на увеличении мощности и крутящего момента на высоких оборотах.

 

 

VTEC (Variable valve Timing and lift Electronic Control) - система динамического изменения фаз газораспределения, фирменная разработка компании Honda. Вначале система VTEC была успешно реализована в двигателях, применяемых в спортивных автомобилях, а затем, после признания и успеха данная система использована на двигателях гражданских автомобилей.

Особенность системы VTEC заключается в том, что возможно конструировать компактные, но очень мощные (в соотношении объем/л.с.) двигатели без применения дополнительных устройств (турбин, компрессоров), при этом технология производства подобных двигателей остается недорогой, а автомобиль с установленной на нем системой VTEC не испытывает проблем, характерных для турбированных автомобилей.

Принцип работы VTEC, в классическом виде по сравнению с другими системами газораспределения, конструктивно выглядит просто, - на распредвале между основными кулачками разместили один дополнительный кулачок большего профиля. Получается, что на каждый цилиндр приходится по одному дополнительному кулачку.

За наполнение топливной смесью камеры сгорания на низких и средних оборотах работы двигателя, отвечают два внешних кулачка, а центральный задействуется на высоких оборотах. Обратите внимание, что непосредственно на клапана воздействуют не кулачки распредвала, а через так называемые коромысла/рокеры, которых тоже три. Внешние кулачки воздействуют на рокеры, обеспечивающие открытие клапанов независимо друг от друга, а центральная пара кулачек-рокер, хотя и работает, но работает, что называется вхолостую. Клапаны имеют минимальную высоту подъема, фазы ГРМ характеризуются малой продолжительностью.

Как только двигатель достигает определенного количества оборотов, т.е. переходит в режим высоких оборотов, система VTEC активируется. Под давлением масла происходит смещение синхронизирующего штифта внутри рокеров таким образом, что все три рокера как бы становятся одной целой конструкцией, и после этого усилие на впускные клапаны передается от большого кулачка распредвала. Таким образом, увеличивается ход клапанов и фазы газораспределения.

При снижении количества оборотов система возвращается в исходную позицию.

Недостатками такой системы являются ступенчатый переход с одного режима на другой и конструктивная сложность реализации процесса блокировки.

 

Разновидности VTEC

На сегодняшний день существует несколько разновидностей системы VTEC. Первая категория рассчитана на увеличение мощности. Второй, VTEC-E, ставились совсем иные задачи - экономия топлива, о чем и говорит приставка «E» - econom. Итак, разновидности:

      • DOHC VTEC 1989-2001 гг, cамый мощный в семействе VTEC до 2001 года
      • SOHC VTEC 1991-2001 гг, средняя, более простая конструкция по сравнению с DOHC VTEC, но и менее мощная
      • SOHC VTEC-E 1991-2001 гг, самый экономичный VTEC
      • 3-stage VTEC-E 1995-2001 гг, совместил SOHC VTEC и VTEC-E, в отличие от них различает низкие, средние и высокие обороты
      • DOHC і-VTEC c 2001 года
      • SOHC і-VTEC c 2006 года
      • 3-stage i-VTEC (только на «гибридах») c 2006 года

Особенность данного двигателя заключается в том, что в городском цикле у автомобиля с системой VTEC-E, расход топлива составляет около 6,5-7 литров бензина на 100 км пути. Это поистине выдающийся результат, учитывая то, что такие двигатели Honda развивают мощность 115 «лошадиных сил». Но автомобили с таким двигателем лишены драйверских ощущений.

Такой результат достигается за счет того, что при небольших оборотах двигатель работает на обедненной топливовоздушной смеси, которая поступает в его цилиндры только через один впускной клапан. Это происходит по причине того, что на втором клапане, кулачек управляющий открытием и закрытием клапана, имеет профиль кольца и поэтому реально работает только один клапан.

За счёт несимметричности потока поступающей горючей смеси (один клапан закрыт, а второй открыт) возникают завихрения, происходит лучше и равномернее заполнение камеры сгорания, что позволяет двигателю работать на довольно бедной смеси. При увеличении оборотов (2500 оборотов и выше) срабатывает система VTEC, синхронизирующий шток под давлением масла перемещается, и рокер первичного клапана входит в зацепление с рокером вторичного клапана и оба клапана работают синхронно.

3-stage VTEC-E

Газораспределительный механизм 3-stage SOHC VTEC представляет собой объединение системы SOHC VTEC и SOHC VTEC-E. В отличие от всех вышеописанных систем эта система имеет не два режима работы, а три.

На первой стадии, когда частота вращения коленчатого вала не превышает ~2500 об/мин, рокер (коромысло) первого и второго работают независимо. Почти круглый кулачок второго клапана через рокер приводит в действие второй клапан, т.е. фактически процесс впуска осуществляется посредством первого клапана, тогда как второй клапан лишь ненамного приоткрывается для избегания скопления топлива над ним. Кулачок второго клапана работает вхолостую.

На второй стадии, начиная приблизительно с 2500 об/мин, масло, поступающее по каналу в распредвале, давит на синхронизирующий шток, который соединяет рокеры первого и второго клапана, обеспечивая синхронную работу обоих впускных клапанов в соответствии с профилем кулачка первого клапана. Остальные кулачки работают вхолостую.

В третьем режиме масло по-прежнему давит на шток в положении, когда обеспечивается синхронная работа обоих клапанов, в то время как, начиная с ~4500 об/мин начинает поступать масло по каналу в другую полость и давить на шпильку, обеспечивающую передачу управления клапанами от третьего кулачка большего профиля, обеспечивающему большую высоту подъема.

В зоне низких оборотов система обеспечивает экономичный режим работы двигателя на обедненной топливо-воздушной смеси. В этом случае используется только один из впускных клапанов. На средних оборотах в работу включается второй клапан, но фазы газораспределения и высота подъема клапанов не изменяются. Двигатель в этом случае реализует высокий крутящий момент. На режиме высоких оборотов оба клапана управляются одним центральным кулачком, отвечающим за снятие с двигателя максимальной мощности.

i-VTEC

Очередной разработкой компании Honda газораспределительного механизма с изменяемыми фазами VTEC является система, получившая обозначение i-VTEC (где буква "i" означает "Intellegence" - "интеллектуальный").

"Интеллектуальность" же данной системы заключалась в следующем - управление изменением фаз осуществляется компьютером, при помощи функции поворота распредвала, регулируя угол опережения. Система i-VTEC позволила двигателям Honda получить больший крутящий момент на низких оборотах, что было постоянной проблемой для двигателей компании, - при высокой мощности они отличались малым крутящим моментом, получаемым на высоких оборотах.

Версия i-VTEC если не устранила, но существенно подкорректировала этот недостаток. Система i-VTEC начала устанавливаться на мощные моторы серии К и некоторых серии R, например, в автомобилях серии Type R, или Acura RSX. Другая версия, напротив, получила "экономичное" направление, и стала устанавливаться в гражданской серии двигателей (например на автомобилях CR-V, Accord, Element, Odyssey, и других).

Принцип работы SOHC i-VTEC

 

Компания Honda реализовала работу SOHC i-VTEC на простых принципах, которые заключаются, в том, что когда мы управляем автомобилем, то мы придерживаемся в основном двух различных стилей вождения.

Первый стиль вождения мы принимаем за спокойную езду без резких ускорений, с пустым багажником и без пассажиров. В таком режиме обороты двигателя, как правило, не превышают порог в 2,5 – 3,5 тысяч оборотов в минуту, а усилия на педаль газа минимальны. Такие условия являются наиболее благоприятными для экономии топлива.

В классическом виде воздействуя на педаль газа, мы открываем или закрываем дроссельную заслонку и регулируем подачу количества воздуха. В зависимости от количества попадающего воздуха, электронная система управления двигателем в нужной пропорции подает топливо для образования топливно-воздушной смеси. Чем сильнее нажимаем на педаль газа, тем больше открывается дроссельная заслонка (увеличивается поперечное сечение впускного канала). В это же время дроссельная заслонка являлась препятствием для прохождения воздуха.

Дроссельная заслонка - элемент впускной системы, которая регулирует подачу воздуха в двигатель.

По идее, такое поведение дроссельной заслонки должно способствовать экономии топлива - поступает меньше воздуха и соответственно компьютер уменьшает дозу подаваемого топлива. Однако это не совсем так. В такой ситуации дроссельная заслонка выступает в качестве силы сопротивления, препятствуя прохождению воздуха, когда этого требует рабочий процесс. Получается поршень, опускаясь в цилиндре вниз нижней мертвой точки, должен всасывать топливно-воздушную смесь, затрачивая на это собственную энергию. Энергию, которая в конечном итоге должна была полностью передаться на колеса. Этот побочный эффект прозвали «насосными потерями».

Попытаемся взглянуть на это с практической точки зрения на примере системы SOHC i-VTEC. Ведь именно устранение насосных потерь – преимущество нового i-VTEC на двигателях с одним распредвалом.

 

Все, что надо было сделать – это на низких оборотах двигателя дроссельную заслонку оставить открытой, а регулировку подачи топливно-воздушной смеси доверить системе i-VTEC. На деле, разумеется, не все так просто.

Следует учитывать следующий момент, что в период, когда дроссельная заслонка полностью открыта, во впускную систему поступает чрезмерно много воздуха и соответственно в цилиндры много топливно-воздушной смеси.

В стандартных двигателях на фазе впуска впускные клапаны открыты, поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ). Как только поршень достигает нижней мертвой точки, впускные клапаны синхронно закрываются, а поршень, начиная фазу сжатия, поднимается к верхней мертвой точке (ВМТ).

Но смесь не сгорает, как вы, наверное, подумали. Фишка системы состоит в том, что один из двух впускных клапанов в цилиндре после фазы впуска закрывается значительно позже второго.

Двигатель с SOHC i-VTEC работает несколько иначе. На фазе впуска – поршень движется к НМТ, впускные клапаны открыты. На фазе сжатия поршень начинает движение вверх к ВМТ. По условию работы i-VTEC в режиме экономии один из впускных клапанов остается открытым и под давлением движущегося вверх поршня, лишняя топливно-воздушная смесь, которая попала в цилиндр благодаря полностью открытой дроссельной заслонке, беспрепятственно возвращается во впускной коллектор.

Механизм SOHC i-VTEC

Механизм системы SOHC i-VTEC аналогичен механизму VTEC предыдущих поколений. Все двигатели с системой SOHC i-VTEC имеют два впускных клапана и два выпускных на каждый цилиндр, т.е 16 клапанов на 4 цилиндра. На каждую пару клапанов приходится 3 кулачка – два обычных крайних и один центральный большего профиля VTEC. Кулачки распредвала традиционно воздействуют на клапаны не непосредственно, а через рокеры, которых тоже три на два клапана.

При отключенной системе i-VTEC внешние кулачки обеспечивают открытие клапанов и каждый рокер работает независимо друг от друга, а центральный кулачок, хотя и вращается вместе с остальными, но работает вхолостую.

Как только двигатель переходит в режим работы, которую система Drive by Wire определяет как благоприятную для работы системы - посредством давления масла система смещает шток внутри рокеров таким образом, что два из трех рокеров работают, как единая конструкция. И с этого момента, рокер впускного клапана, который синхронизирован штоком с рокером кулачка системы VTEC, открывает клапан на величину и продолжительность в соответствии с профилем кулачка системы VTEC. Практически, как обычная система газораспределения с изменяемыми фазами VTEC, с той лишь разницей, что работают системы при разных условиях и в разных фазах.

Drive by Wire (DRW) или «управление по проводам» — электронная цифровая система управления автомобилем.

В обычной системе VTEC два внешних кулачка отвечают за работу двигателя на низких оборотах, а центральный кулачок системы VTEC, подключается на высоких оборотах, таким образом, обеспечивая большее высоту и период открытия, чтобы в цилиндры поступило как можно больше топливно-воздушной смеси. В «умном» SOHC i-VTEC все работает наоборот - рабочая зона системы находится в диапазоне от 1000 до 3500 оборотов в минуту. На «верхах» же мотор вступает в стандартный режим работы.

Однако, диапазон оборотов не единственный фактор по которому система Drive by Wire определяет момент включения и выключения системы. Иначе новый i-VTEC мало чем отличался бы от предшественников.

Новый SOHC i-VTEC в паре с «Drive by Wire» дополнительно определяет нагрузку на двигатель и в зависимости от ее величины принимает решение включать VTEC или нет.

Именно символ «i» в названии системы указывает на работу этих двух систем. Получается, что система VTEC работает при определенных оборотах двигателя и определенной величине нагрузки на двигатель. Поэтому «Drive by Wire», которая и определяет оптимальные условия, является наиважнейшей составляющей системы в целом.

Общий рабочий диапазон SOHC i-VTEC демонстрирует график. Красная зона на графике и есть благоприятная среда для работы системы.

3 полезных совета для изменения фаз газораспределения

Категория: Полезная информация.

Благодаря правильно подобранной фазе ГРМ обеспечивается эффективная мощность двигателя, а также крутящий момент. 

В статье:

Механизм газораспределения в теории 

Суть работы — синхронное и параллельное вращение обоих валов, открывающих и закрывающих клапаны цилиндров.

Газораспределительный механизм состоит из:

  • распределительного вала — за счет вращения вызывает открытие/закрытие клапанов;
  • толкателей и коромысла;
  • клапанов и штанги;
  • привода — осуществляет движение распредвала.

Классификация ГРМ:

  • по расположению: верхнее и нижнее;
  • по количеству распределительных валов: одиночный и двойной распредвалы;
  • по количеству клапанов: 2-5;
  • по типу привода распредвала: цепной, шестеренчатый и ременной.

 Влияние на двигатель 

Возможность менять фазы ГРМ отсутствует на многих моторах из-за низкой эффективности КПД, однако применение этой функции отличается в зависимости от режима работы мотора.

Узкие фазы — позднее открытие и раннее закрытие. Подходят для работы двигателя в холостую. Так исключается вероятность заброса выхлопных газов в клапан и выброса горючего в трубу.

Широкие фазы — раннее открытие и позднее закрытие. Соответствуют максимальной мощности мотора. Так обеспечивается высокий крутящий момент за счет активной циркуляции газа по цилиндрам.

 Регулирование фаз газораспределения 

Существует 3 способа подстроить ГРМ под разную работу двигателя:

  • Фазовращатель — способен проворачивать распредвал на определенный угол, благодаря электронике и гидравлике.
  • Регулирование подъема педалью газа — избавляет от заслонки и перенаправляет управление на ГРМ.
  • Замена механического привода на электромагнитый — за счет электроники контролируется время открытия/закрытия клапанов и работа цилиндров. Так обычный 4-тактный двигатель можно превратить в 6-тактный.

Фазы газораспределения лучше регулируются при прогреве двигателя: минимальная нагрузка и мощность, однако максимальный выброс газов.

Изменение фаз ГРМ решает 2 основные задачи:

  • тщательное смешение топлива и воздуха за счет позднего открытия впускного клапана;
  • снижение температуры сжимаемого воздуха и уровня NO2 за счет позднего закрытия впускного клапана.

Модернизация процесса регулирования фаз ГРМ на дизельных двигателях приведет к улучшению мощности и экономичности.

Запчасти для дизеля найдёте в нашем каталоге

Посмотреть запчасти в наличии

Метки: Эксплуатация дизеля, Дизель

Газораспределительный механизм - Центр корейских авто!

Отличительной особенностью двигателя автомобиля Hyundai Solaris является наличие у него электронной системы изменения фаз газораспределения (CWT), динамически регулирующей положение впускного распределительного вала. Эта система позволяет установить оптимальные фазы газораспределения для каждого момента работы двигателя, в результате чего достигается повышенная мощность, лучшая топазная экономичность и меньшая токсичность отработавших газов. Механизм изменения фаз газораспределения, установленный на впускном распределительном валу, по сигналу электронного tea управления двигателем поворачивает вал на необходимый угол в соответствии с режимом работы двигателя. Механизм изменения фаз газораспределения представляет собой гидравлический механизм, соединенный с системой смазки двигателя. Масло из системы смазки двигателя поступает через каналы в газораспределительный механизм. Ротор 2 (рис. 5.2) поворачивает распределительный вал по команде блока управления двигателем. Для определения мгновенного положения распределительного вала установлен датчик положения распределительного вала в задней части распределительного вала. На шейке распределительного вала расположено задающее кольцо датчика положения.

На головке блока цилиндров закреплен электромагнитный клапан, гидравлически управляющий механизмом. Электромагнитным клапаном, в свою очередь, управляет электронный блок управления двигателем.

Рис. 5.2. Механизм изменения фаз газораспределения:

1 – корпус механизма изменения фаз;

2 – ротор;

3 – масляный канал

Применение механизма CWT обеспечивает плавное изменение угла установки впускного распределительного вала в положения раннего и позднего открытия клапанов газораспределения (рис. 5.3). Блок управления определяет положение впускного распределительного вала по сигналам датчика положения распределительного вала и датчика положения коленчатого вала и выдает команду на изменение положения вала. В соответствии с этой командой перемещается золотник электромагнитного клапана, например, в направлении большего опережения открытия впускных клапанов. При этом подаваемое под давлением масло поступает через канал в корпусе газораспределительного механизма в корпус механизма CWT и вызывает поворот распределительного вала в требуемом направлении.

Рис. 5.3. Процесс изменения фазы газораспределения:

А – установка впускного распределительного вала в положение раннего открытия клапанов газораспределения;

Б – установка впускного распределительного вала в положение позднего открытия клапанов газораспределения;

1 – распределительный вал;

2 – механизм изменения фаз газораспределения;

3 – электромагнитный клапан системы регулирования фаз газораспределения

При перемещении золотника в направлении, соответствующем более раннему открытию клапанов, канал для более позднего их открытия автоматически соединяется со сливным каналом. Если распределительный вал повернулся на требуемый угол, золотник электромагнитного клапана (рис. 5.5) по команде блока управления устанавливается в положение, при котором масло поддерживается под давлением по обе стороны каждой из лопастей ротора муфты. Если требуется поворот распределительного вала в сторону более позднего открытия клапанов, процесс регулирования проводится с подачей масла в обратном направлении.

Рис. 5.5. Электромагнитный клапан системы изменения фаз газораспределения:

1 – электромагнит;

2 – золотник клапана;

3 – кольцевая проточка, соединенная каналом в крышке головки блока цилиндров со второй рабочей камерой механизма изменения фаз газораспределения;

4 – кольцевая проточка для отвода масла;

5 – кольцевая проточка соединенная каналом в крышке головки блока цилиндров с первой рабочей камерой механизма изменения фаз газораспределения;

6 – отверстие подвода масла из главной магистрали;

7 – пружина клапана;

8 – отверстие для слива масла;

А – полость, соединенная каналом в крышке головки блока цилиндров с первой рабочей камерой муфты механизма изменения фаз газораспределения;

В – полость, соединенная каналом в крышке головки блока цилиндров со второй рабочей камерой механизма изменения фаз газораспределения

Элементы системы CWT (электромагнитный клапан и механизм динамического изменения положения распределительного вала) представляют собой прецизионно изготовленные узлы. В связи с этим при выполнении технического обслуживания или ремонта системы изменения фаз газораспределения допускается лишь замена элементов системы в сборе.

Ремонт механизмов регулировки фаз газораспределения

Представить себе современный двигатель без механизма регулировки фаз газораспределения практически невозможно. Сегодня подобные устройства есть и в «малолитражных» трехцилиндровых моторчиках, и в многолитровых V-образных «восьмерках». Само собой разумеется, что детали и узлы таких систем изнашиваются при эксплуатации и требуют замены во время капитального ремонта. Или их тоже можно ремонтировать? Во всяком случае, наши коллеги из США научились восстанавливать муфты фазовращателей и здесь рассказывают о своем опыте.

Мы начали восстанавливать фазовращатели еще в 1990-е годы по двум причинам. Во-первых, новые узлы зачастую невозможно было купить, а, если они и были в наличии, то оказывались слишком дорогими. Без ремонта (и до того, как подобные механизмы стали доступны на вторичном рынке) цены на новые детали у официальных дилеров кусались. Цена за 3-клапанную муфту Ford составляла $325, для мотора Nissan VQ40 - $230, механизмы для 2-литрового Kia - $400. И даже сегодня мы сталкиваемся с проблемами поставок некоторых механизмов фазовращателей, например – для Chevrolet Colorado, что подтолкнуло нас к освоению ремонта таких муфт, так как GMC их больше не предлагает.

Вторая причина, почему мы занялись подобным видом ремонта – наша философия: мы восстанавливаем изношенные детали и узлы, а не устанавливаем новые. Постепенно, шаг за шагом, мы освоили способы ремонта многих компонентов двигателя, и механизмы регулировки фаз газораспределения здесь не исключение. Теперь мы восстанавливаем все типы подобных механизмов.

Ремонт механизмов регулировки фаз газораспределения (муфт фазовращателей) очень успешен, потому что обычно причины поломок двигателей не в них. Обычно менее 1% поломок моторов вызывается плохим качеством самого фазовращателя. Большинство двигателей выходят из строя из-за загрязнения, низкого давления масла давления или поломки управляющего клапана. Так что большое количество шестерен/звездочек фазовращателей обычно пригодны к дальнейшему использованию.

Крайне редко встречаются шестерни/звездочки, поврежденные настолько, что их остается только выбросить. Хорошему качеству ремонта способствует чистота всех масляных каналов (их вскрытие и промывка строго обязательны), промывка всех фильтрующих элементов и строгое выдерживание масляных зазоров между деталями двигателя.

Фото. Системы регулировки фаз газораспределения есть двух видов: переключением или фазированием. Система переключения работает по принципу «да-нет»: т. е. сдвигает фазы на фиксированный угол вперед или назад. А система фазирования регулирует фазы постоянно и непрерывно. Такая система может фиксировать механизм в любом положении, в пределах рабочего диапазона.

Мы расскажем о процессе все: от демонтажа до проверки, расскажем, что работает правильно, а что нет.

Система регулировки фаз газораспределения проворачивает распределительный вал на определенный угол, в зависимости от оборотов и нагрузки на двигатель и позволяет двигателю работать при «идеальных» условиях в более широком рабочем диапазоне, чем при фиксированном положении распредвала. Система управления фазовращателем, используя информацию от множества датчиков двигателя, «командует» гидравлическим клапаном. Который, в свою очередь, направляет масло под давлением к муфте фазовращателя. Есть два основных типа механизма изменения фаз газораспределения: тип «винтовой пружины» и тип «масляной камеры». В большинстве двигателей используется механизм камерного типа. Муфта фазовращателя такого типа имеет внешний корпус, связанный со звездочкой газораспределительного механизма, и внутренний ротор, который связан с распредвалом. Промежутки между корпусом и ротором образуют рабочие камеры, разделяемые специальными уплотнениями. Стопорный штифт удерживает шестерню от смещения при запуске. Масло под давлением, наполняющее камеры, толкает ротор для поворота распредвала вперед или назад.

Ремонт механизма начинается с демонтажа деталей и их последующей промывки. Мы предварительно моем демонтированные детали в ультразвуковых ваннах, примерно полчаса, а затем вскрываем муфты фазовращателей. Затем все детали снов помещаются в моющие корзины. Ротор стоит оставить подсобранным с корпусом, чтобы не потерять уплотнения насадки или их пружины. Большинство уплотнительных насадок пластиковые, и они обычно теряются при промывании.

Важная причина, почему мы вскрываем муфту – потому что, внутри остается много масла и мелких загрязнений, которые невозможно будет вымыть. Еще одна причина вскрыть муфту – необходимость проверить наличие блокировки. Некоторые владельцы намертво блокируют муфту, чтобы увеличить мощность. Такое встречается во всех типах муфт.

После того, как все детали промыты, можно проверить их износ и повреждения. Больше всего страдают зубья шестерни ГРМ и боковые стенки корпуса, которые контактируют с торцевыми уплотнениями. Механизм с металлическими уплотнениями изнашивается больше, чем с пластиковыми. Любое повреждение, допускающее перетекание масла или заедание, в дальнейшем создаст проблему со перемещением деталей. Также надо проверить, повреждено ли отверстие стопорного штифта. Стопорный штифт подпружинен и он скользит к запорному диску, при работе шестерни. При блокировке муфты, пружина смещает штифт внутрь отверстия, поэтому заходная часть штифта может быть повреждена. Штифт или его паз испытывают на себе большие нагрузки и могут треснуть или сломаться. А износ запорных дисков может быть очень похожим на износ торцевой поверхности корпуса масляного насоса. Проверка муфты очень напоминает проверку масляного насоса – и там, и там вы можете увидеть похожие повреждения.

Обратная сборка – несложная. Детали движутся только в одном направлении, поэтому ошибиться сложно. Слегка смажьте все внутренние детали моторным маслом. Мы обычно используем масло типа 5W-30. Сборка механизма с пружиной немного сложнее. Самая очевидная ошибка – это установить ротор в корпусе вверх ногами, но в большинстве случаев стопорные диски не совместиться должным образом, и вы, поэтому, не сможете установить шестерню на распредвал. После того, как детали установлены, вы можете вручную завернуть болты, но, прежде чем болты будут затянуты полностью, вам надо выровнять ротор и стопорный диск, чтобы распредвал «подошел». Для этого вы можете использовать сам вал, или, как мы, - специальную оправку.

Болты затянуты, и шестерня готова к работе. Мы предварительно определяем момент затяжки крепежных болтов, прежде чем запустить деталь в дело. Можно для этого использовать разъединительный динамометрический ключ или маркировать болты перед отворачиванием. По нашему опыту, большинство из них тянутся моментом 13…14 Нм, но некоторые бывают затянуты на удивление слабо. Поэтому лучше всегда проверять крутящий момент для любого нового типа шестерни, которую вы устанавливаете.

Большинство ошибок при сборке всегда приводят к провальному результату: шестерня не подойдет к распредвалу или никогда не пройдет испытание. Нам встречались: отсутствие уплотнений, стопорных штифтов, поврежденные или неправильно установленные импульсные датчики. Механизм с отсутствующими деталями никогда не пройдет испытание: он не сдвинется и не заблокируется.

Чтобы избежать ошибок лучше использовать шаблоны и памятки для сборки.

Мы проверяем отремонтированные механизмы на нашем моторном стенде путем проверки перемещения ротора. Лучше это делать на небольших оборотах или с помощью стробоскопа. На испытательном стенде мы видим некоторые неисправности, чаще всего шестерня вообще не смещается, но это не всегда беда шестерни. Если есть проблемы с давлением масла, то шестерня-муфта просто не будет работать.

Большинство современных механизмов, с которыми мы сталкиваемся, очень простые, легко разбираются, чистятся, собираются и проверяются. Включение подобной услуги в перечень ваших ремонтных услуг позволит вам предложить лучшую цену вашим клиентам и подготовиться к появлению более сложных систем. Например, механизм изменения фаз газораспределения нового 5-литрового двигателя Ford, в котором управляющий клапан встроен в шестерню. Другой тип муфты, с которым вы можете столкнуться, - система электромагнитного привода на двигателях Nissan VQ35. На крышке корпуса установлен электромагнит, который работает с механическим фиксатором, прикрепленным к распредвалу. Если возникнет какая-либо деталь будет повреждена, как если бы привод коснулся магнита, ее надо заменить. Вы можете очистить детали и проверить сопротивление катушки, но вы не сможете проверить это устройство как муфту с гидроприводом. Вам придется удостовериться, что распредвал сместился, визуально.

И, напоследок, несколько полезных советов.

Если у вас нет обменного фонда механизмов муфты, которую планируете отремонтировать, то лучше всего найти их и подготовиться наилучшим образом до того, как начнете демонтаж. Я рекомендую фотографировать каждый шаг разборки устройства, чтобы обеспечить правильную сборку. Некоторые из этих компонентов содержат детали замысловатой формы, и вы должны быть уверены, что они вернутся на место в правильном положении. Если на шестерне есть датчик положения распредвала, будьте внимательны и зафиксируйте фазу, чтобы правильно вставить его назад. Есть шестерни, которые спрессованы вместе, а есть шестерни, которые стянуты болтами. С ними иметь дело проще, лишь проверьте крутящий момент на болтах, прежде чем снять шестерню.

Спрессованные шестерни, встречающиеся в моделях Nissan и GM, сложно демонтировать, для них требуются специальные оправки, которые обычно не валяются на полках. Для такого типа механизма мы маркируем все детали перед демонтажом, чтобы вновь собрать их в правильном положении. Если вы можете найти подходящую замену уплотнительным кольцам, этот тип муфты можно успешно восстановить.

Мы установили, что попытка помыть механизм, не открывая его, всегда оставляет загрязнение в нем, даже если использовать ультразвуковые очистители и даже если оставить их в ванне на ночь. Винтовые шестерни захватывают и удерживают все остатки старого масла. Как только вы поместите их в мойку, они впитают все из воды. Механизм нужно обязательно вскрыть, чтобы вымыть его, высушить и смазать должным образом.

Фото. Спрессованные шестерни, встречающиеся в моторах Nissan и GM, сложно демонтировать, для них требуются специальные оправки. Для такого типа механизма мы маркируем все элементы перед демонтажом, чтобы собрать их с правильной фазой распределения.

После того, как вы познакомитесь с ремонтом механизма изменения фаз газораспределения и разработаете свой собственный процесс их тестирования, вы обнаружите, что и процесс, и оборудование можно легко применить к другим продвинутым системам управления двигателем. Чтобы можно было и далее предлагать нашим клиентам продукцию, которую они хотят, и ремонтировать вместо того, чтобы заменять.

ХОТИТЕ СТАТЬ АВТОРОМ?

Пришлите свою статью


Что такое синхронизация клапанов и как это влияет на производительность двигателя? -CarBikeTech

Разъяснение синхронизации клапанов двигателя

Во-первых, прочтите здесь о том, как открываются и закрываются клапаны двигателя. Клапаны двигателя похожи на человеческий нос. В автомобильном двигателе для «дыхания» (вдоха / выдоха) используются клапаны. Распределительный вал двигателя открывает и закрывает клапаны с определенным интервалом. Время открытия и закрытия клапанов указывается в градусах, соответствующих положению поршней двигателя.Выбор фаз газораспределения двигателя - наиболее важный процесс для двигателей внутреннего сгорания.

Диаграмма синхронизации клапанов двигателя

Впускной клапан обычно открывается на несколько градусов до того, как поршень достигнет ВМТ на такте выпуска. Он закрывается после того, как поршень на несколько градусов достигает НМТ, то есть когда поршень начинает двигаться вверх по цилиндру в такте сжатия. Во время такта всасывания топливно-воздушная смесь или заряд очень быстро всасываются в цилиндр. Это связано с тем, что движение поршня вниз создает разрежение (или отрицательное давление) в цилиндре, и воздушно-топливной смесью заполняется пустое пространство.

Как помогает синхронизация клапанов двигателя?

Эта топливно-воздушная смесь (также известная как заряд) имеет массу и движение. Весь заряд не может попасть в цилиндр, даже когда поршень достигает конца своего хода вниз, потому что отверстие впускного клапана мало. Следовательно, давление в камере сгорания остается ниже атмосферного, а заряд все еще движется в направлении движения поршня с большой скоростью.

Если впускной клапан закроется в этот момент, баллон получит меньше заряда, чем требуется.Следовательно, впускной клапан остается открытым до тех пор, пока поршень не войдет в свой следующий ход вверх, то есть такт сжатия. В этот момент давление в баллоне становится почти равным атмосферному. Инженеры точно калибруют фактическую точку закрытия впускного клапана таким образом, чтобы она совпадала с точкой, в которой движение входящего заряда начинает обратное.

Клапан перекрытия:

В такте выпуска поршень снова движется вверх; выталкивание выхлопных газов через открытый выпускной клапан.Выпускной клапан открывается до того, как поршень достигнет НМТ во время рабочего хода. Поскольку выпускной клапан открывается непосредственно перед НМТ, это заставляет часть выхлопных газов под давлением выходить еще до того, как поршень начинает свой ход вверх.

Перекрытие клапанов двигателя

Сбрасывает избыточное давление и помогает снизить насосные потери поршня при его движении вверх. Выпускной клапан закрывается после того, как поршень на несколько градусов достигает ВМТ, то есть когда поршень начинает двигаться вниз по цилиндру на такте всасывания.В этот момент как впускной, так и выпускной клапаны остаются открытыми в течение очень короткого периода времени; вызывая «перекрытие». Это «перекрытие» помогает лучше «улавливать» или удалять оставшиеся выхлопные газы из цилиндра двигателя.

Что такое переменная синхронизация клапана (VVT)? >> Продолжить чтение здесь

О компании CarBikeTech

CarBikeTech - технический блог. Его члены имеют опыт работы в автомобильной сфере более 20 лет. CarBikeTech регулярно публикует специальные технические статьи по автомобильным технологиям.

Посмотреть все сообщения CarBikeTech

Механизм регулировки фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания для регулировки времени впускного и / или выпускного клапана в соответствии с условиями работы двигателя (Патент)

Акассака, А. , Шуга, С. и Савада, Т. Механизм регулировки фаз газораспределения для двигателя внутреннего сгорания для регулировки времени впускного клапана и / или выпускного клапана в соответствии с условиями работы двигателя .США: Н. П., 1989. Интернет.

Akassaka, A, Suga, S, & Sawada, T. Механизм регулировки фаз газораспределения для двигателя внутреннего сгорания для регулировки времени впускного клапана и / или выпускного клапана в соответствии с условиями работы двигателя . Соединенные Штаты.

Акасака, А., Шуга, С., и Савада, Т.Вт. «Механизм регулировки фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания для регулировки фаз впускного и / или выпускного клапана в соответствии с условиями работы двигателя». Соединенные Штаты.

@article {osti_5935231,
title = {Механизм регулировки фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания для регулировки фаз впускного и / или выпускного клапана в соответствии с условиями работы двигателя},
author = {Акассака, А. и Шуга, С. и Савада, Т.},
abstractNote = {Описан механизм регулировки фаз газораспределения для двигателя внутреннего сгорания, содержащий: распределительный вал, несущий кулачок для приведения в действие одного из впускного и выпускного клапана, причем распределительный вал имеет секцию, образованную зубьями первой косозубой шестерни; кулачковый шкив, входящий в зацепление с приводным от двигателя ремнем газораспределительного механизма для вращения синхронно с оборотом двигателя, причем кулачковый шкив имеет зубья второй косозубой шестерни; коронную шестерню, имеющую внутренние и внешние зубья косозубой шестерни, входящие в зацепление с зубцами первой и второй шестерен распределительного вала и кулачкового шкива; первое средство для определения замкнутой камеры, обращенной к одной плоской поверхности зубчатого венца и соединенной с источником давления текучей среды для приема оттуда текучей среды под давлением; пружинное средство, связанное с другой плоской поверхностью коронной шестерни, для приложения начальной смещающей силы на коронную шестерню в противовес силе из-за давления на кольцевую шестерню из закрытой камеры; и второе средство для управления давлением текучей среды, вводимой в закрытую камеру, в соответствии с условиями работы двигателя, чтобы перемещать коронную шестерню между двумя положениями. },
doi = {},
url = {https://www.osti.gov/biblio/5935231}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {1989},
месяц = ​​{3}
}

Лаборатория автомобильной электроники Клемсона: электронное управление синхронизацией клапана

Электронное управление синхронизацией клапана

Базовое описание

Клапаны в двигателе внутреннего сгорания открываются и закрываются, чтобы позволить топливно-воздушной смеси войти в цилиндр до сгорания и позволить выхлопным газам выйти из цилиндра после сгорания.В большинстве двигателей клапаны открываются лепестками, соединенными с распределительным валом. Форма этих лепестков определяет подъем, время и продолжительность открытия каждого клапана. В двигателе с фиксированными фазами газораспределения синхронизация не оптимальна для всех оборотов двигателя. Например, если распределительный вал предназначен для управления клапанами для оптимальной синхронизации при низких оборотах, то при более высоких оборотах каждый цилиндр будет лишен достаточной топливно-воздушной смеси, что ограничит выходную мощность двигателя. И наоборот, если он оптимизирован для высоких оборотов, автомобиль будет испытывать резкую работу на холостом ходу на низких оборотах.Существует несколько методов изменения фаз газораспределения, таких как использование нескольких распределительных валов или полное исключение распределительного вала, изменение синхронизации впускного распределительного вала и управление фазами газораспределения с помощью электронных, гидравлических или пневматических приводов. Регулировка фаз газораспределения может значительно увеличить мощность и топливную эффективность двигателя внутреннего сгорания.

Системы электронного управления клапанами (EVC) пытаются оптимизировать фазы газораспределения во всем диапазоне возможных оборотов двигателя. Большинство существующих систем манипулируют фазами газораспределения с помощью привода, управляемого компьютером, прикрепленного к распределительному валу. Иногда используются два распределительных вала: один для управления впускными клапанами, а другой - для управления выпускными клапанами. Распределительный вал может иметь два набора кулачков, один из которых предназначен для низких, а другой - для высоких оборотов. При вращении распределительного вала кулачки толкают подпружиненные клапаны, которые затем закрываются под действием пружин. Электронный блок управления (ЭБУ) выбирает, какой набор лепестков использовать в зависимости от частоты вращения двигателя.Другой подход к изменению фаз газораспределения использует механизм фазирования кулачка для контроля и регулировки вращения распределительного вала относительно вращения коленчатого вала.

Существуют и другие механические / электрические методы, которые на один шаг ближе к полному устранению распределительного вала. Три из этих методов - это электропневматические клапаны (EPV), электрогидравлические клапаны (EHV) и электромагнитные клапаны (EMV). EPV и EHV используют электрические соленоиды для управления потоком сжатого воздуха или гидравлической жидкости к клапанам в нужное время.Существующие системы EPV и EHV обычно исключают пружинный механизм, но по-прежнему используют кулачок. Системы EPV обычно используются в двигателях Формулы-1, а системы сверхвысокого напряжения используются в двигателях автомобилей BMW. Электромагнитные клапаны управляют открытием клапана напрямую с помощью соленоида, исключая распредвалы и многие другие связанные компоненты, такие как подъемники и цепи привода ГРМ. Двигатели этой конструкции в настоящее время находятся в стадии разработки и еще не прошли стадию прототипа. Они еще не вышли на рынок из-за стоимости, а также мощности, необходимой для работы привода.Системы EMV допускают почти бесконечные комбинации продолжительности, подъема и фазы как впускных, так и выпускных клапанов. Это позволяет значительно улучшить контроль над рабочими характеристиками двигателя, способствуя снижению выбросов, увеличению крутящего момента на низких оборотах и ​​увеличению пиковой мощности.

Датчики
Датчик положения коленчатого вала, датчик положения дроссельной заслонки, датчик давления жидкости
Приводы
Гидравлический, пневматический или электромагнитный привод клапана, пьезоэлектрический привод клапана, привод штифта положения распределительного вала
Передача данных
Связь блока управления: Обычная шина сети управления (CAN)
Производителей
БМВ, БоргВарнер, Шевроле, Дельфи, Denso, FEV, Hitachi, Honda, Jacobs Vehicle Systems, LaunchPoint Technologies, Mechadyne, Mitsubishi, Sturman Industries, Subaru
Для получения дополнительной информации
[1] Переменная синхронизация клапана, Википедия.
[2] Как работают распределительные валы, регулировка фаз газораспределения, Карим Найс, Howstuffworks. com, 13 декабря 2000 г.
[3] Технология синхронизации распределительного вала BorgWarner Morse TEC с регулируемым крутящим моментом (CTA), YouTube, 24 июля 2009 г.
[4] Безрулевой двигатель Capstone Project WVU, YouTube, 4 мая 2010 г.
[5] Система фазирования кулачков iVTEC VTC серии K - подробно, YouTube, 10 августа 2010 г.
[6] Преимущества регулируемых фаз газораспределения, CarsDirect, фев.17, 2012.
[7] Будущее двигателей внутреннего сгорания - / Inside Koenigsegg, YouTube, 19 февраля 2013 г.
[8] Электромеханический привод клапана для изменения фаз газораспределения, YouTube, 25 марта 2013 г.
[9] Как работает система изменения фаз газораспределения, Дэвид Трейси, Ялопник, 3 июня 2013 г.
[10] Бескулачковый двигатель, Джон Коксон, High Power Media, 20 августа 2013 г.
[11] Car Tech 101: объяснение изменения фаз газораспределения, YouTube, апр.28, 2014.
[12] Бескулачковые двигатели, Душко Мацкоски, Autospeed. com, 7 октября 2014 г.

МЕХАНИЗМ ЗАЖИГАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО КЛАПАНА - General Electric Company

Настоящее изобретение в целом относится к механизмам с изменяемой фазой газораспределения (VVT), таким как те, которые используются в механизмах с регулируемым закрытием впускного клапана (VIC) двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания обычно сжигают углеродсодержащее топливо, такое как природный газ, бензин, дизельное топливо и т.п., и используют соответствующее расширение газов с высокой температурой и давлением для приложения силы к определенным компонентам двигателя, например.g., поршень в цилиндре, для перемещения компонентов на расстояние. Каждый цилиндр может включать в себя один или несколько клапанов, которые открываются и закрываются для обеспечения сгорания углеродсодержащего топлива и выпуска выхлопных газов. Например, впускной клапан может направлять окислитель, такой как воздух, в цилиндр, который затем смешивается с топливом и сгорает. Жидкости для горения, например горячие газы, затем могут быть направлены на выход из цилиндра через выпускной клапан. Соответственно, углеродсодержащее топливо преобразуется в механическое движение, полезное для приведения в движение груза (например,г., генератор, вырабатывающий электроэнергию). В традиционных конфигурациях время открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов во время работы двигателя внутреннего сгорания может отслеживаться и оцениваться для обнаружения различных рабочих событий и условий (например, пикового давления срабатывания) двигателя внутреннего сгорания.

Поскольку двигатели внутреннего сгорания проектируются и / или модифицируются в соответствии со стандартами выбросов оксидов азота (NO x ), разработчик может пожелать сохранить другие аспекты производительности, такие как эффективность и / или шум (также известный как «стук». ) наравне с существующими двигателями.Некоторые двигатели внутреннего сгорания могут работать с использованием термодинамического процесса, известного как «цикл Миллера», в котором впускной воздушный клапан остается открытым, по крайней мере, в течение части такта сжатия двигателя. В случае двигателя внутреннего сгорания с циклом Миллера изменения рабочих характеристик в соответствии со стандартами выбросов NO x могут повлиять на время запуска и переходную характеристику (в совокупности «работа в переходном состоянии») двигателя, особенно при низких -температурные условия запуска. Механизмы регулируемого закрытия впускного клапана (VIC) представляют собой один из подходов к поддержанию эффективности и снижению шума в этой ситуации.Обычные механизмы VIC могут работать с использованием поршневого клапана, который может включать стержневой клапан, расположенный внутри цилиндра, для управления потоком воздуха от впускного клапана в камеру сгорания, например, во время сжатия в процессе цикла Миллера. Хотя этот тип механизма может вызвать выгодное отсроченное или раннее закрытие клапана, клапан, тем не менее, может оставаться в полностью открытом (то есть «подъемном») положении в течение того же времени, что и обычный клапан.

Первый аспект настоящего раскрытия обеспечивает механизм переменной синхронизации клапана (VVT), включающий в себя: рычаг, имеющий первый конец, второй конец и точку опоры, расположенную между ними; толкатель с регулируемой длиной, соединенный с первым концом рычага и включающий в себя привод; стержневой клапан, соединенный со вторым концом рычага, причем стержневой клапан выполнен с возможностью открывать и закрывать впускной клапан системы двигателя на основе движения рычага; и блок управления двигателем (ЭБУ), функционально связанный с приводом регулируемой по длине толкателя, при этом ЭБУ регулирует длину регулируемой по длине толкателя на основе рабочего состояния системы двигателя.

Второй аспект настоящего раскрытия обеспечивает механизм VVT, включающий в себя: рычаг, имеющий первый конец, второй конец и точку опоры, расположенную между ними; стержневой клапан, соединенный со вторым концом рычага, причем стержневой клапан выполнен с возможностью открывать и закрывать впускной клапан системы двигателя на основе движения рычага; механическую демпфирующую систему, включающую в себя: камеру для жидкости, расположенную между штоковым клапаном и вторым концом рычага, причем камера для жидкости соединена по текучей среде с источником жидкости, и клапан для жидкости, расположенный между камерой для жидкости и источником жидкости; и блок управления двигателем (ECU), функционально связанный с гидравлическим клапаном, при этом ECU регулирует положение гидравлического клапана на основе рабочего состояния системы двигателя.

Третий аспект настоящего раскрытия обеспечивает механизм VVT, включающий в себя: рычаг, имеющий первый конец, второй конец и точку опоры, расположенную между ними; толкатель с регулируемой длиной, соединенный с первым концом рычага и включающий в себя привод; стержневой клапан, соединенный со вторым концом рычага, причем стержневой клапан выполнен с возможностью открывать и закрывать впускной клапан системы двигателя на основе движения рычага; и механическую демпфирующую систему, содержащую: камеру для жидкости, расположенную между штоковым клапаном и вторым концом рычага, причем камера для жидкости соединена по текучей среде с источником жидкости, и клапан для жидкости, расположенный между камерой для жидкости и источником жидкости; и блок управления двигателем (ЭБУ), оперативно связанный с приводом и гидравлическим клапаном, при этом ЭБУ регулирует длину регулируемого по длине толкателя и положение гидравлического клапана в зависимости от рабочего состояния системы двигателя, включая впускной клапан в нем.

Эти и другие особенности этого изобретения будут более понятны из следующего подробного описания различных аспектов изобретения, взятых вместе с прилагаемыми чертежами, которые изображают различные варианты осуществления изобретения, на которых:

Фиг. 1 показано поперечное сечение системы, включающей обычный двигатель внутреннего сгорания с циклом Миллера.

РИС. 2 показан вид в поперечном разрезе механизма переменной синхронизации клапана (VVT) согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

РИС. 3 показывает вид в разрезе механизма VVT согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

РИС. 4 представляет собой схематический вид иллюстративного окружения, включающего в себя блок управления двигателем (ЭБУ) механизма VVT согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

РИС. 5 представляет собой иллюстративный график положения клапана «s» в зависимости от времени «t» во время работы механизма VVT согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия.

Следует отметить, что чертежи изобретения не обязательно выполнены в масштабе.Чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. На чертежах одинаковая нумерация представляет одинаковые элементы между чертежами.

Варианты осуществления настоящего раскрытия в целом относятся к механизмам регулирования фаз газораспределения, например, для двигателей внутреннего сгорания, таких как двигатели внутреннего сгорания по циклу Миллера. Механизм изменения фаз газораспределения (VVT) согласно настоящему раскрытию может включать в себя рычаг с противоположными первым и вторым концами и с точкой опоры, расположенной между ними.Регулируемый по длине толкатель, который включает в себя привод для изменения длины регулируемого по длине толкателя, может быть соединен с первым концом рычага. Стержневой клапан может быть соединен со вторым концом рычага, при этом точка опоры рычага отделяет стержневой клапан от регулируемой по длине штанги. Штанговый клапан может открывать и закрывать впускной клапан системы двигателя на основе движения рычага, например, в ответ на линейное движение регулируемой по длине толкателя. Блок управления двигателем (ЭБУ) может быть оперативно связан с приводом регулируемого по длине толкателя.ЭБУ может регулировать регулируемую по длине штангу толкателя (то есть выдвигать и / или убирать ее длину с помощью привода) в зависимости от рабочего состояния системы двигателя. Более конкретно, ЭБУ может выборочно регулировать длину регулируемого по длине толкателя, совпадающего с открытием или закрытием стержневого клапана во время пуска, переходного режима и / или операции понижения (в совокупности, «работа в переходном состоянии ”) Двигателя. Кроме того, ЭБУ может выборочно отключить регулировку толкателя, например.g., поддерживая постоянную длину регулируемой по длине штанги толкателя во время установившейся работы двигателя.

Пространственно относительные термины, такие как «внутренний», «внешний», «внизу», «внизу», «нижний», «верхний», «верхний», «вход», «выход» и т. п. используется здесь для простоты описания, чтобы описать связь одного элемента или функции с другим элементом (ами) или функцией (ами), как показано на фигурах. Термины, относящиеся к пространству, могут охватывать различные ориентации устройства при использовании или работе в дополнение к ориентации, изображенной на фигурах.Например, если устройство на фигурах перевернуто, элементы, описанные как «внизу» или «под» другими элементами или функциями, будут ориентированы «над» другими элементами или элементами. Таким образом, примерный термин «внизу» может охватывать как ориентацию сверху, так и снизу. Устройство может быть ориентировано иначе (повернуто на , 90, градуса или в других ориентациях), и пространственно относительные дескрипторы, используемые здесь, интерпретируются соответствующим образом.

Обращаясь к чертежам, на фиг. 1 показан частичный вид в разрезе традиционной системы двигателя 10 .Как подробно описано ниже, система двигателя 10 может быть представлена ​​как, например, поршневой двигатель внутреннего сгорания с одной или несколькими камерами сгорания 12 (например, одной, пятью, десятью, двадцатью или несколькими камерами сгорания 12 ). Подача газа , 14, может подавать окислитель под давлением, такой как воздух, кислород, воздух, обогащенный кислородом, воздух с пониженным содержанием кислорода, или любую их комбинацию, в камеру (камеры) сгорания 12 . Камера (камеры) сгорания 12 также может принимать топливо, например.g., жидкое и / или газообразное топливо, вводимое, например, через карбюратор, из источника топлива 18 , так что топливно-воздушная смесь воспламеняется и сгорает в каждой камере сгорания 12 . Горячие сжатые газообразные продукты сгорания могут заставить поршень 20 , примыкающий к каждой камере сгорания 12 , линейно перемещаться внутри цилиндра 22 и преобразовывать давление, оказываемое газами, во вращательное движение, которое перемещает штифт 24 и тем самым вращает вал 25 .Кроме того, вал , 25, может быть соединен с нагрузкой (не показана), которая приводится в действие посредством вращения вала , 25, . Например, вал , 25, может быть механически соединен с любым подходящим устройством, которое может генерировать энергию через вращающийся выход системы 10 , например с электрическим генератором. Кроме того, хотя нижеследующее обсуждение относится к воздуху в качестве примера, любая подходящая подача окислителя может использоваться в качестве замены подачи газа 14 в раскрытых вариантах осуществления.Аналогично, топливо, подаваемое из источника топлива , 18, , может быть любым подходящим газовым топливом, например, природным газом, попутным нефтяным газом, пропаном, биогазом, газом сточных вод, свалочным газом, газом угольных шахт.

Газ из источника газа 14 и топливо из источника топлива 18 могут поступать в камеру сгорания 12 через вход 28 . Способностью воздуха и топлива проходить через впускное отверстие 28 можно управлять, например, с помощью впускного клапана 28 , который может быть выполнен в виде стержневого клапана.Штанговый клапан обычно включает в себя любые и все клапаны, имеющие стержень и запорный элемент (например, блок, плунжер и т.д.) на одном конце. Кроме того, система двигателя , 10, может включать выпускное отверстие 32, для вытеснения выхлопных газов из камеры сгорания , 12, . Возможность выхода выхлопа из камеры сгорания 12 через выпускное отверстие 32 может регулироваться, например, выпускным клапаном 34 . Выпускной клапан , 34, может быть предусмотрен как стержневой клапан и / или как любой другой известный в настоящее время или разработанный позже инструмент для управления потоком выхлопных жидкостей через такую ​​область, как выпускное отверстие 32 .Как обсуждалось в другом месте здесь, варианты осуществления настоящего раскрытия могут включать и / или быть механически соединенными с клапанами, такими как впускной клапан 30 и / или выпускной клапан 34 , чтобы влиять на работу двигателей внутреннего сгорания, таких как те, что предусмотрены в двигателе. система 10 .

Система двигателя 10 , раскрытая в данном документе, может быть адаптирована для использования в стационарных приложениях (например, в промышленных двигателях, генерирующих энергию) или в мобильных приложениях (например,, в автомобилях или самолетах). Система 10 может включать в себя двухтактный двигатель, трехтактный двигатель, четырехтактный двигатель, пятитактный двигатель или шестицилиндровый двигатель. Двигатель , 10, может также включать в себя любое количество камер сгорания , 12, , поршней , 20, и связанных цилиндров , 26, . Например, в некоторых вариантах осуществления система 10 может включать в себя крупномасштабный промышленный поршневой двигатель, имеющий четыре, шесть, восемь, десять, шестнадцать, двадцать четыре или более поршней 20 , совершающих возвратно-поступательное движение в соответствующих цилиндрах 26 .В некоторых таких случаях цилиндры , 26, и / или поршни 20, могут иметь диаметр приблизительно от 13,5 до 34 сантиметров (см). В некоторых вариантах реализации цилиндры , 26, и / или поршни , 20, могут иметь диаметр примерно 10-40 см, 15-25 см или примерно 15 см. Система двигателя 10 может генерировать мощность от 10 кВт до 10 МВт. В некоторых вариантах осуществления система двигателя 10 может работать со скоростью менее примерно 1800 оборотов в минуту (об / мин).В других вариантах осуществления система двигателя 10 может работать при менее чем приблизительно 2000 об / мин, 1900 об / мин, 1700 об / мин, 1600 об / мин, 1500 об / мин, 1400 об / мин, 1300 об / мин, 1200 об / мин, 1000 об / мин, 900 об / мин или 750 об / мин. В других вариантах осуществления система двигателя 10 может работать при приблизительно 750-2000 об / мин, 900-1800 об / мин или 1000-1600 об / мин. В еще других вариантах осуществления система двигателя 10 может работать со скоростью приблизительно 1800 об / мин, 1500 об / мин, 1200 об / мин, 1000 об / мин или 900 об / мин. Примеры вариантов осуществления системы 10 могут включать двигатели Jenbacher Engines компании General Electric (e.g., Jenbacher тип 2 , тип 3 , тип 4 , тип 6 или J920 FleXtra) или двигатели Waukesha (например, Waukesha VGF, VHP, APG, 275GL), например.

Обращаясь к РИС. 2 показана система , 100, с изменяемой фазой газораспределения (VVT) согласно вариантам осуществления настоящего раскрытия. Как описано здесь, система VVT , 100, может влиять на работу вариантов осуществления системы двигателя 10 (фиг.1), например, в форме двигателя внутреннего сгорания по циклу Миллера.Система VVT , 100, может включать в себя синхронизирующий механизм , 102, и / или амортизирующий механизм , 104, . Хотя каждый синхронизирующий и / или амортизирующий механизм , 102, , , 104, может быть выполнен как отдельное устройство, понятно, что компоненты синхронизирующего механизма , 102, могут быть включены как часть амортизирующего механизма , 104, и наоборот. Как обсуждается в данном документе, механизм синхронизации , 102, может выборочно увеличивать или уменьшать период времени, в течение которого впускной клапан 28 (фиг.1) находится в открытом положении, создавая дополнительное открывающее усилие против впускного клапана 28 и / или противодействуя закрывающему движению впускного клапана 28 . Дополнительная сила, обеспечиваемая синхронизирующим механизмом , 102, , может исходить, например, от привода, механически соединенного с компонентами для открытия и / или закрытия впускного клапана 28 . Амортизирующий механизм , 104, может дополнительно продлить период времени, в течение которого впускной клапан , 28, остается в открытом положении, например.g., выборочно создавая дополнительную силу трения на впускной клапан 28 при его закрытии. Кроме того, понятно, что синхронизирующий механизм , 102, может быть удален и / или заменен другим механизмом для обеспечения ускоренного закрытия впускного клапана , 28, . Хотя отсроченное закрытие клапана обсуждается здесь в качестве примера, понятно, что варианты осуществления настоящего раскрытия также могут применяться для создания ускоренного закрытия клапана.

Как обсуждалось здесь, амортизирующий механизм , 104, может подавать амортизирующую жидкость к движущемуся компоненту впускного клапана 28 , тем самым создавая противодействующую силу трения.Амортизирующие жидкости могут подаваться, например, до или во время закрытия впускного клапана , 28, , до того, как они будут исчерпаны, чтобы уменьшить трение о впускной клапан 28 во время других ходов. В любом случае, синхронизирующий механизм , 102, и / или амортизирующий механизм , 104, можно выборочно включать и отключать, так что каждый механизм , 102, , , 104, регулирует время закрытия впускного клапана 28 во время конкретных рабочих условий. системы двигателя 10 , эл.g., работа в переходном состоянии.

Что касается механизма синхронизации 102 , рычаг 106 может включать в себя точку опоры 108 , расположенную между первым концом 110 рычага 106 и противоположным вторым концом 112 рычага 106 . Fulcrum , 108, может быть установлен на внешней конструкции (не показана) или присоединен к ней, обеспечивая при этом возможность вращательного движения рычага , 106, в направлении R в положительном направлении (т.е.е., в том же направлении, что и ориентация стрелки) и / или в отрицательном направлении (т. е. противоположном ориентации стрелки). Во время работы рычаг , 106, может по меньшей мере частично вращаться вокруг точки опоры 108 , тем самым вызывая поступательное движение регулируемого по длине толкателя 114 относительно рычага , 106, (например, соединенного с рычагом , 106, , проксимальнее первого конца. 110 ), чтобы обеспечить соответствующее открытие или закрытие стержневого клапана (ов) 116 (соединенного с рычагом 106 , проксимальнее второго конца 112 ).Штанговый клапан (ы) , 116, во время работы может быть впускным клапаном 28 (фиг. 1). Регулируемый по длине толкатель , 114, может включать в себя привод , 118, . Привод , 118, может быть представлен как любое известное в настоящее время или разработанное позднее устройство для обеспечения переменной длины, объема, площади и т. Д. Например, привод , 118, может быть выполнен как один или несколько из, например, линейного привода, пьезоэлектрический привод, пневматический привод, сервопривод, нанопривод, гидравлический привод, привод с моторным приводом и / или любой другой известный в настоящее время или разработанный позже механизм для регулировки длины компонента.Хотя привод , 118, описан здесь в качестве примера как способный, например, к выдвижению или втягиванию движения, понятно, что различные типы движения, подходящие для конкретного варианта осуществления привода , 118, , также могут быть применимы и могут давать те же самые эффекты. . Таким образом, термины «выдвижение», «втягивание» и т. Д. Применительно к приводу , 118, не должны иметь ограниченного толкования. Привод , 118, в любом случае может быть соединен с блоком управления двигателем (ЭБУ) , 120, , выполненным как, например.g., компонент общего назначения с программным обеспечением для управления двигателем и / или аппаратный компонент специального назначения. ЭБУ , 120, может регулировать длину регулируемого по длине толкателя , 114, , выдвигая или втягивая привод , 118, , как описано в данном документе, например, для создания дополнительной временной задержки во время закрытия клапана, такого как впускной клапан 28 (РИСУНОК 1).

Конец стержня с регулируемой длиной 114 , дистальный к первому концу 110 рычага 106 , может быть механически соединен с толкателем 122 .Толкатель , 122, , в свою очередь, включает подшипник , 124, , который входит в контакт с выступом кулачка , 126, , например, путем прямого физического контакта между ними. Хотя ведомый элемент , 122, показан на фиг. 2 в виде рычага, возможны другие конфигурации. Например, толкатель , 122, может быть выполнен в виде толкателя в виде шпильки или толкателя с ярмом. Лепесток кулачка , 126, может включать в себя, по меньшей мере, одну удлиненную часть для прижатия к толкателю , 122 при его вращении, например.g., по существу, вдоль линии направления L, тем самым перемещая регулируемый по длине рычаг , 114, относительно рычага , 106, . Подшипник , 124, может быть выполнен в виде роликового подшипника, сконфигурированного для качения по выступу кулачка , 126, во время его вращения (например, в направлении, обозначенном линией L).

Ссылаясь на фиг. 3 показан частичный вид системы VVT , 100, и синхронизирующего механизма , 102, , чтобы проиллюстрировать особенности регулируемого по длине стержня , 114, .Регулируемый по длине стержень , 114, может включать в себя первый элемент , 128, и второй элемент, , 130, , соединенные вместе приводом , 118, . Первый или второй элемент , 128, , , 130, может включать в себя втулку , 132, (показанную примером на фиг. 3, чтобы находиться внутри первого элемента 128 ) для приема исполнительного механизма , 118, во втянутом состоянии. Втулка , 132, может содержать удерживающие элементы (например, резьбовые пазы) для зацепления с исполнительным механизмом , 118, (например,g., путем нанизывания на него) в желаемом положении. Гильза , 132, может, таким образом, совместно задействовать привод , 118, , удерживать привод , 118, в полностью выдвинутом, частично выдвинутом или втянутом положении, чтобы тем самым отрегулировать длину регулируемого по длине стержня , 114, . Преобразователь , 134, может преобразовывать электрический ток в механическую силу для перемещения привода , 118, внутри втулки , 132, . Преобразователь , 134, может быть воплощен как любой известный в настоящее время или разработанный позже компонент для преобразования конкретного входа в механический выход, и может быть воплощен как компонент одного или нескольких примерных вариантов воплощения привода , 118, , обсуждаемых в другом месте в данном документе.

Возвращаясь к РИС. 2, система VVT 100 может также включать амортизирующий механизм 104 , который может быть предусмотрен как демпфирующий механизм системы VVT 100 или как отдельное независимое устройство. Амортизирующий механизм , 104, может включать в себя пружину , 136, , расположенную по окружности вокруг корпуса каждого стержневого клапана , 116, и контактирующего с ним. Пружина (и) , 136, в состоянии равновесия может удерживать стержневой (ые) клапан (ы) , 116, в закрытом положении, так что воздух и / или топливо практически не проходят через впускное отверстие 28 .Перемещение второго конца 112 рычага 106 в направлении вниз может сжимать пружину (и) , 136, для перемещения стержневого клапана (ов) 116 вниз в открытое положение. Перемещение стержневого клапана (ов) , 116, в открытое положение может тем самым позволить поток текучей среды в камеру (и) сгорания 12 через впускное отверстие (а) 28 . Полное сжатие пружины (пружин) , 136, может сместить стержневой клапан (клапаны) , 116, на соответствующее расстояние «s L », где каждый стержневой клапан , 116, , как говорят, находится в полностью открытом положении, также известное как положение «подъема».

Каждый стержневой клапан , 116, может проходить через жидкостную камеру 138 с демпфирующими жидкостями в ней, например жидкостями под давлением, такими как масло. Жидкости внутри камеры для текучей среды , 138, могут поступать из источника текучей среды , 140, и могут создавать дополнительное трение относительно штокового клапана (ов) 116 , чтобы противодействовать открытию или закрытию штокового клапана (ов) 116 . Хотя подача жидкости , 140, показана на фиг. 2 как выделенный компонент, предполагается несколько альтернативных вариантов осуществления.Например, система подачи жидкости , 140, может быть реализована как маслопровод двигателя, например, включающий и / или соединенный с источником топлива 18 (фиг. 1). В этой ситуации амортизирующие жидкости могут быть направлены в камеру , 138, для жидкости из источника , 140, для жидкости в виде байпаса от магистрали двигателя. Обводная линия, которая действует как подача жидкости , 140, , может включать перепускную линию от той же системы двигателя 10 (фиг. 1), управляемую системой VVT , 100, , или может быть проложена от другой системы двигателя.Жидкости внутри камеры для текучей среды , 138, могут вытесняться через выпускное отверстие (отверстия) , 139, в ней, которое может выборочно открываться или закрываться под действием выпускного клапана (не показан). Как будет обсуждаться здесь, жидкости из источника , 140, текучей среды могут подаваться и / или извлекаться из камеры (камер) для текучей среды 138 в зависимости от положения и движения пружины (пружин) , 136, и / или состояния система двигателя 10 (ФИГ.1). Один или несколько клапанов для жидкости , 142, могут регулировать способность находящейся под давлением жидкости подачи 140 течь в и / или из камеры (камер) для жидкости 138 .

Обращаясь к РИС. 4 показаны примерные подкомпоненты ECU , 120, , чтобы проиллюстрировать работу ECU в системе VVT 100 (фиг.2) и механизмы синхронизации или амортизации 102 (фиг.2, 3), 104 ( Фиг.2) в нем. ИНЖИР. 4 изображает иллюстративную среду 200 , в которой ECU 120 соединен с одним или несколькими датчиками положения 144 , одним или несколькими динамическими датчиками 146 , исполнительным механизмом 118 для управления длиной регулируемого стержня. 114 (ФИГ.2, 3) и / или клапан (ы) 142 для управления потоком текучих сред из источника текучей среды 140 (фиг. 2) согласно вариантам осуществления. В этой степени среда 200 включает в себя ЭБУ 120 для выполнения процессов и передачи электрических команд на управляющий привод 118 , клапан (ы) 142 , датчик (и) положения 144 и / или динамический датчик ( s) 146 вместе с любыми связанными системами и инструментами. Хотя привод , 118, , клапан (-ы) , 142, , датчик (-ы) положения , 144, и динамический (-ые) датчик (-ы) , 146, показаны в качестве примера на фиг.4, понятно, что среда 200 с ECU 120 может использоваться только с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего раскрытия, обсуждаемыми здесь, включая, без ограничения, одну или несколько камер сгорания 12 .

ECU 120 показан включая компонент обработки 204 (например, один или несколько процессоров), память 206 (например, иерархию хранения), компонент ввода / вывода (I / O) 208 , устройство ввода-вывода 209 (e.g., один или несколько интерфейсов ввода / вывода и / или устройств) и канал связи 210 . В общем, компонент , 204, обработки выполняет программный код, такой как система управления приводом , 212, и / или система управления клапаном , 214, , которая, по меньшей мере, частично зафиксирована в памяти , 206, . Во время выполнения программного кода компонент обработки , 204, может обрабатывать данные, что может привести к чтению и / или записи преобразованных данных из / в память , 206, и / или устройство ввода-вывода , 209, для дальнейшей обработки.Путь 210 обеспечивает канал связи между каждым из компонентов в ECU 120 . Компонент ввода-вывода , 208, может содержать одно или несколько человеческих устройств ввода-вывода, которые позволяют человеку или пользователю системы , 216, взаимодействовать с ЭБУ , 120, и / или одним или несколькими устройствами связи, чтобы позволить пользователю (-ам) 216 для связи с ECU 120 с использованием любого типа канала связи. В этом смысле системы управления приводом и клапаном 212 , 214 могут управлять набором интерфейсов (например,g., графический интерфейс (ы) пользователя, интерфейс прикладной программы и т. д.), которые позволяют пользователю (пользователям) 216 взаимодействовать с системами управления приводом и / или клапаном 212 , 214 . Кроме того, одна или обе из системы управления приводом 212 и / или системы управления клапаном 214 могут управлять (например, хранить, извлекать, создавать, манипулировать, организовывать, представлять и т. Д.) Данными, такими как системные данные 218 (включая измеренные или записанные положения, акустические данные и т.) любым решением.

ECU 120 показан как включающий систему управления приводом 212 , которая позволяет ECU 120 регулировать длину регулируемого по длине стержня 114 с помощью привода 118 . ECU может также включать в себя систему управления клапанами 214 , которая позволяет ECU 120 управлять клапаном (ами) 142 . В процессе работы системы управления приводом и клапаном , 212, , , 214, могут выдавать электрические команды, которые, в свою очередь, могут быть преобразованы в механические действия (например,g., действие регулирующего привода 118 , открытие и закрытие одного или нескольких клапанов 142 ) в ответ на определенные условия. Условия для регулировки привода , 118, и / или клапанов , 142, могут включать, например, систему двигателя 10 (фиг. 1), находящуюся в переходном или установившемся режиме.

В любом случае, ECU , 120, может содержать одно или несколько компьютерных изделий общего или специального назначения (например,g., вычислительные устройства), способные выполнять программный код, такие как системы управления приводом или клапаном 212 , 214 , установленные на них. В контексте настоящего описания подразумевается, что «программный код» означает любую совокупность инструкций на любом языке, в коде или нотации, которые заставляют вычислительное устройство, имеющее возможность обработки информации, выполнять определенную функцию либо непосредственно, либо после любой комбинации следующих : (а) преобразование в другой язык, код или нотацию; (б) воспроизведение в другой материальной форме; и / или (c) декомпрессия.В этом смысле системы управления приводом или клапаном , 212, , , 214, могут быть воплощены в виде любой комбинации системного программного обеспечения и / или прикладного программного обеспечения.

Кроме того, каждая из систем управления приводом и / или клапаном , 212, , , 214, может быть реализована с использованием соответствующего набора модулей , 220, . В этом случае модуль 220 может позволить ECU 120 выполнять набор задач, используемых приводом и / или системой (ами) управления клапаном 212 , 214 , и может быть отдельно разработан и / или реализован помимо других частей привода и / или системы (ей) управления клапаном 212 , 214 .Один или несколько модулей , 220, памяти , 206, могут отображать (например, через графику, текст, звуки и / или их комбинации) конкретный пользовательский интерфейс на компоненте дисплея, таком как монитор. Когда он зафиксирован в памяти , 206, , ECU , 120, , которая включает в себя компонент обработки , 204, , модуль является существенной частью компонента, реализующего функциональные возможности. Несмотря на это, подразумевается, что два или более компонентов, модулей и / или систем могут совместно использовать часть / все соответствующее оборудование и / или программное обеспечение.Кроме того, понятно, что некоторые из обсуждаемых здесь функциональных возможностей могут не быть реализованы или дополнительные функциональные возможности могут быть включены как часть ECU , 120, .

Когда ECU 120 содержит несколько вычислительных устройств, каждое вычислительное устройство может иметь только часть привода и / или системы (систем) управления клапаном 212 , 214 , закрепленных на нем (например, один или несколько модулей 220 ). Кроме того, варианты осуществления настоящего раскрытия могут включать в себя несколько ЭБУ , 120, , каждый с соответствующей системой управления приводом , 212, или системой управления клапанами , 214, на нем.Однако понятно, что ECU , 120, , система управления исполнительным механизмом , 212, и / или система управления клапанами, , 214, представляют собой только различные возможные эквивалентные компьютерные системы, которые могут выполнять описанный здесь процесс. В этой степени, в других вариантах осуществления, функциональные возможности, обеспечиваемые ЭБУ , 120, , системой управления приводом , 212 и / или системой управления клапанами , 214, , могут быть, по крайней мере, частично реализованы одним или несколькими вычислительными устройствами, которые включают любую комбинацию оборудование общего и / или специального назначения с программным кодом или без него.В каждом варианте осуществления аппаратные средства и программный код, если они есть, могут быть созданы с использованием стандартных методов проектирования и программирования соответственно.

В любом случае, когда ECU 120 включает в себя несколько вычислительных устройств, вычислительные устройства могут обмениваться данными по любому типу канала связи. Кроме того, при выполнении процесса, описанного в данном документе, ECU , 120, может связываться с одной или несколькими другими компьютерными системами, используя любой тип линии связи. В любом случае линия связи может содержать любую комбинацию различных типов проводных и / или беспроводных линий связи; содержат любую комбинацию одного или нескольких типов сетей; и / или использовать любую комбинацию различных типов методов и протоколов передачи.

Понятно, что аспекты изобретения дополнительно предоставляют различные альтернативные варианты осуществления. Например, в одном варианте осуществления ECU , 120, может регулировать период задержки, в течение которого штоковые клапаны , 118, остаются в положении подъема, и / или скорость закрытия штоковых клапанов , 118, , например, путем регулировки длины длины. -регулируемый стержень 114 и / или открывающие и закрывающие клапаны 142 . В других вариантах осуществления работа системы VVT 100 может включать ручное использование ECU 120 (т.е.g., работа техником) и / или автоматическое использование посредством вмешательства одной или нескольких компьютерных систем, оперативно связанных с ними, чтобы обеспечить, например, один или несколько технических эффектов, обсуждаемых в данном документе. Таким образом, понятно, что ECU 120 может служить техническим целям в других установках, помимо обычных операций, включая, помимо прочего: осмотр, обслуживание, ремонт, замену, тестирование и т. Д.

Системы управления приводом и клапанами 212 , 214 могут, вместе или по отдельности, предоставляться в виде компьютерной программы, закрепленной по крайней мере на одном машиночитаемом носителе, которая при выполнении позволяет ЭБУ 120 управлять стержнем с регулируемой длиной 114 и / или клапанами 142 .В этой степени машиночитаемый носитель включает в себя программный код, который реализует некоторые или все процессы и / или варианты осуществления, описанные в данном документе. Подразумевается, что термин «машиночитаемый носитель» включает в себя один или несколько материальных носителей выражения любого типа, известных в настоящее время или разработанных позднее, из которых копия программного кода может быть воспринята, воспроизведена или иным образом передана вычислительным устройством. устройство. Например, машиночитаемый носитель может содержать: одно или несколько портативных запоминающих устройств; один или несколько компонентов памяти / хранения вычислительного устройства; бумага; и т.п.

Кратко обратимся к РИС. 5 показан иллюстративный график сжатия пружины «s» от времени «t» во время работы, чтобы лучше проиллюстрировать функцию ECU , 120, . Во время обычной работы (например, без регулировки регулируемого по длине толкателя 114 ) стержневой (ые) клапан (ы) , 116 может перемещаться из полностью закрытого в полностью открытое (подъемное) положение S L перед закрытием время, как отмечено сплошной линией тренда. Однако на определенных этапах эксплуатации (например,g., работа в переходном состоянии системы двигателя 10 (фиг. 1)), оператор может пожелать продлить период времени, в течение которого стержневой клапан (ы) , 116, находится в полностью открытом положении, например, с помощью Время «задержки», выраженное как разница между t и одним из времен t 1 , t 2 , t 3 (показано пунктирными линиями). Для достижения этого эффекта ЭБУ , 120, может выборочно выдвигать привод , 118, до или во время сжатия пружины (пружин) , 136, , тем самым удерживая стержневой (ые) клапан (ы) , 116, в положении подъема в течение более длительного периода.В дополнение или в качестве альтернативы, ECU 120 может регулировать клапан (ы) 142 , чтобы обеспечить эффект демпфирования при закрытии стержневого клапана (ов) 116 . Хотя период задержки изображен на фиг. 5, понятно, что варианты осуществления настоящего раскрытия также могут быть адаптированы для ускорения закрытия клапана.

Ссылаясь на фиг. 2 и 4 вместе, ECU , 120, может получать индикацию, например, через компонент ввода / вывода 208 , о том, является ли система двигателя 10 (фиг.1) в настоящее время находится в переходном или установившемся режиме. Индикация может быть предоставлена ​​непосредственно в форме электрического сигнала или ввода от пользователя (ов) 216 , и / или может включать в себя рабочие данные (например, нагрузку или рабочую скорость системы двигателя 10 ), от которых клапан и / или системы управления исполнительным механизмом , 212, , , 214, могут определять рабочее состояние системы двигателя 10, (например, на основании нагрузки или рабочей скорости системы двигателя 10, , превышающей заданный порог).Текущее рабочее состояние системы двигателя 10, может быть сохранено, например, как форма системных данных , 218, . ЭБУ , 120, может выборочно включать или отключать выдвижение и / или втягивание регулируемого по длине толкателя 114 на основе других характеристик системы двигателя 10 . Если рабочее состояние системы двигателя 10 является установившимся рабочим состоянием, ЭБУ 120 может поддерживать регулируемый по длине толкатель 114 и / или клапаны 142 в статическом состоянии, так что система двигателя 10 работает с заданной задержкой впускного клапана (например,g., время на фиг. 5).

Во время работы системы двигателя в переходном режиме 10 (РИС.1), ECU 120 может регулировать привод 118 для выдвижения регулируемого по длине толкателя 114 и / или регулировать клапан (ы) 142 для контроля количества жидкости в камере (ах) для жидкости 138 . Регулировка регулируемого по длине толкателя , 114, и / или клапана (ов) , 142, может происходить, например, только во время определенных фаз или тактов системы двигателя 10 .Например, ЭБУ 120 может регулировать регулируемый по длине стержень 114 и / или клапан (ы) 142 до и / или во время закрытия стержневого клапана (ов) 116 и / или расширения пружина (и) 136 . Датчик положения 144 может измерять положение стержневого клапана (ов) , 116, и / или пружины (-ей) , 136, в режиме реального времени, чтобы определить, находится ли стержневой клапан (-ы) 116 в открытом положении, закрытом позиции и / или открываются или закрываются.В ответ на идентификацию движения закрытия из открытого положения, как более подробно обсуждается в данном документе, ECU , 120, может регулировать регулируемый по длине стержень , 114, и / или клапан (ы) , 142 , чтобы увеличить величину задержки до стержневой клапан (ы) 116 закрывается (например, выборочно обеспечивая время задержки t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , t 5 (фиг.5)).

ECU 120 , с механизмом синхронизации 102 , может регулировать период времени, в течение которого стержневой (ые) клапан (ы) 116 остаются в открытом положении.Например, датчик положения , 144, может быть оперативно подключен к ЭБУ , 120, и сконфигурирован для обнаружения сжатия пружины (пружин) , 136, и / или положения поворота кулачка , 126, . Каждый датчик положения , 144, может быть реализован как один или несколько из, например, лазерного датчика, пьезоэлектрического датчика, резистивного датчика положения, оптического датчика положения, оптоволоконного датчика положения и т. Д. Датчик положения 144 может обнаруживать сжатие или расширение пружины (пружин) 136 прямо или косвенно на основе измеряемых величин.Где датчик положения 144 измеряет сжатие, указывающее на то, что пружина (ы) 136 находится в подъемном положении (например, сжатие на расстояние s L ) и передает это измерение в ECU 120 (например, в форме закодированные электрические сигналы), ECU , 120, может регулировать регулируемую по длине штангу толкателя , 114, (например, выдвигая или втягивая привод , 118, ) на основе одной или нескольких рабочих характеристик системы двигателя 10 (ФИГ.1).

Если датчик положения 144 подключен к ECU 120 и обнаруживает сжатие пружины (пружин) 136 , модули 220 системы управления приводом 212 могут дать команду ECU 120 выдвинуть привод 118 , чтобы увеличить длину регулируемого по длине толкателя 114 на заданное время. После этого модули 220 системы управления приводом 212 могут дать команду ECU 120 убрать привод 118 и позволить пружине (пружинам) 138 разжаться, тем самым закрывая стержневой клапан (клапаны) 116 .В дополнение или альтернативно, датчик (и) положения , 144, может косвенно определять сжатие пружины (пружин) , 136, на основании положения поворота выступа кулачка , 126, . Например, выступ кулачка , 126, может включать в себя маркер для указания положения, в котором выступ кулачка , 126 приводит в действие следящий элемент , 122, (например, за счет контакта выступающей части с подшипником , 124, ), чтобы вызвать сжатие пружины (пружин) . 136 . Таким образом, положение выступа кулачка , 126, может указывать, расширяются или сжимаются пружины , 136, .

ECU 120 может также управлять работой амортизирующего механизма 104 для увеличения времени, необходимого для закрытия стержневого клапана (ов) 116 . Например, ЭБУ , 120, может увеличивать или уменьшать количество жидкости в камере (ах) для жидкости 138 , открывая и закрывая клапаны , 142, , например, во время переходной работы системы двигателя 10 (фиг.1). Амортизирующий механизм , 104, , более конкретно, может служить механической системой демпфирования во время закрытия (например,g., расширение) движение пружины (ей) , 136, , чтобы продлить время, в течение которого стержневой клапан (ы) , 116, находится в открытом положении. Чтобы обеспечить этот эффект, модули 220 системы управления клапанами 214 могут дать команду ECU 120 установить клапан (ы) 142 , по крайней мере, в частично закрытое положение, и вызвать жидкости из источника жидкости 140 в войти в камеру (камеры) для жидкости 138 . Дополнительная жидкость в камере (ах) для текучей среды , 138, может создавать дополнительную силу трения, препятствуя закрытию стержневого (ых) клапана (ов) 116 , тем самым замедляя их закрытие.Модули , 220, системы управления клапанами , 214, могут определить, закрываются ли стержневые клапаны , 116, , посредством датчика (ов) положения , 144, , как описано в другом месте в данном документе.

В дополнение или альтернативно, система VVT 100 может включать акустический датчик 146 , оперативно подключенный к ECU 120 . Акустический датчик , 146, может быть предоставлен в виде любого известного в настоящее время или разработанного позже прибора для считывания различных типов шума и / или акустической активности, включая, помимо прочего, микрофон, датчик вибрации, датчик детонации и т. Д.

Следует понимать, что ECU 120 может применять любое количество известных в настоящее время или разработанных позже методов, например, анализ акустических частот, амплитуд, длин волн и т. Д., К входам от акустического датчика 146 для обнаружения закрытия движение стержневого клапана (ов) 116 . В некоторых вариантах осуществления вход в акустический датчик , 146, может быть отфильтрован через фильтр верхних частот, фильтр нижних частот или полосовой фильтр для ослабления частей сигнала, имеющих частоты, нехарактерные для рабочего события.Конкретный фильтр, применяемый к шумовому сигналу, может зависеть от контролируемого рабочего состояния (например, один фильтр для операций в переходном состоянии и / или другой для работы в установившемся режиме). В соответствии с этими анализами и / или аналогичной обработкой акустических входных сигналов, ЭБУ , 120, может определить одно или несколько рабочих условий системы двигателя 10 (фиг.1) на основе входных сигналов от акустического датчика , 146, , чтобы определить, система двигателя 10 в настоящее время работает в пусковом, переходном или установившемся состоянии, e.g. с помощью справочной таблицы, формулы и т.д. для определения конкретных рабочих условий (например, переходного и / или установившегося режима). В альтернативном варианте акустический датчик , 146, может быть предусмотрен как компонент и / или модуль ECU , 120, . Примеры методов определения того, работает ли двигатель в режиме запуска, переходном режиме, установившемся режиме и т.д., в целом описаны в заявке на патент США № №№ 14/609 416 и 15/680 863, один или оба из которых могут быть адаптированы для использования с ECU 120 .

Независимо от используемого анализа, ЭБУ 120 вместе с акустическим датчиком 146 может идентифицировать открытие и / или закрытие стержневого клапана (ов) 116 на основе сходства входных сигналов акустического датчика 146 с заданным акустические профили. Если ECU 120 обнаруживает закрытие стержневого клапана (ов) 116 (например, расширение пружины (пружин) , 136 ), ECU 120 может открыть клапан (ы) 142 , чтобы обеспечить поток и / или пополнение жидкости под давлением из источника жидкости 140 в камеру (камеры) под давлением 138 для демпфирования закрытия стержневого клапана (ов) 116 , как описано в другом месте в данном документе.Акустический анализ системы двигателя 10 (фиг.1) может быть предоставлен в качестве дополнения и / или альтернативы анализу положения стержневого клапана (ов) 116 и / или кулачка 126 с датчиками положения 144 , описанный здесь в другом месте.

Варианты осуществления настоящего раскрытия могут обеспечить несколько технических и коммерческих преимуществ. Например, варианты осуществления настоящего раскрытия могут использоваться для увеличения периода задержки, в течение которого впускной клапан системы двигателя, такой как клапаны, использующие цикл Миллера, может оставаться в открытом положении для увеличения количества всасываемого воздуха / топлива во время запуск и / или работа в переходном состоянии.Кроме того, варианты осуществления настоящего раскрытия могут выборочно включаться и / или отключаться в зависимости от условий работы двигателя, например, чтобы избежать продления периода открытия впускного клапана во время работы в установившемся режиме. Увеличение времени, в течение которого впускной клапан камеры сжатия открыт при определенных рабочих условиях, может снизить общее количество выбросов при сохранении желаемого уровня эффективности и / или акустической мощности двигателя. Эти технические преимущества могут также обеспечить связанные преимущества для компонентов, оперативно связанных с системой двигателя, например.g., путем дальнейшего повышения производительности и / или эффективности системы турбонагнетателя.

Устройство и способ настоящего раскрытия не ограничиваются какой-либо одной конкретной газовой турбиной, двигателем внутреннего сгорания, системой выработки электроэнергии или другой системой и могут использоваться с другими системами и / или системами выработки энергии (например, комбинированный цикл, простой цикл, ядерный реактор и др.). Кроме того, устройство по настоящему изобретению может использоваться с другими системами, не описанными в данном документе, которые могут извлечь выгоду из увеличенного рабочего диапазона, эффективности, долговечности и надежности устройства, описанного в данном документе.Кроме того, различные системы впрыска можно использовать вместе, на одной форсунке или на / с разными форсунками в разных частях единой системы выработки электроэнергии. При желании любое количество различных вариантов осуществления может быть добавлено или использовано вместе, и варианты осуществления, описанные здесь в качестве примера, не предназначены для взаимоисключающих друг друга.

Терминология, используемая в данном документе, предназначена только для описания конкретных вариантов осуществления и не предназначена для ограничения раскрытия.Используемые здесь формы единственного числа предназначены для включения также форм множественного числа, если контекст явно не указывает иное. Кроме того, следует понимать, что термины «содержит» и / или «содержащий» при использовании в этой спецификации определяют наличие указанных функций, целых чисел, этапов, операций, элементов и / или компонентов, но не исключают наличие или добавление одной или нескольких других функций, целых чисел, шагов, операций, элементов, компонентов и / или их групп.

Настоящее раскрытие может быть воплощено как система, способ и / или компьютерный программный продукт. Компьютерный программный продукт может включать в себя машиночитаемый носитель данных (или носитель) с машиночитаемыми программными инструкциями на нем, чтобы заставить процессор выполнять аспекты настоящего изобретения.

Машиночитаемый носитель данных может быть материальным устройством, которое может сохранять и хранить инструкции для использования устройством выполнения инструкций. Машиночитаемый носитель данных может быть, например, но не ограничиваясь этим, электронным запоминающим устройством, магнитным запоминающим устройством, оптическим запоминающим устройством, электромагнитным запоминающим устройством, полупроводниковым запоминающим устройством или любой подходящей комбинацией вышеперечисленного.Неисчерпывающий список более конкретных примеров машиночитаемого носителя данных включает следующее: портативная компьютерная дискета, жесткий диск, оперативная память (RAM), постоянная память (ROM), стираемая программируемая, только память (EPROM или флэш-память), статическая память с произвольным доступом (SRAM), портативное постоянное запоминающее устройство для компакт-дисков (CD-ROM), универсальный цифровой диск (DVD), карта памяти, гибкий диск, механически закодированное устройство, такое как перфокарты или выпуклые структуры в канавке, на которых записаны инструкции, и любая подходящая комбинация вышеперечисленного.Машиночитаемый носитель данных, используемый в данном документе, не следует рассматривать как преходящие сигналы сами по себе, такие как радиоволны или другие свободно распространяющиеся электромагнитные волны, электромагнитные волны, распространяющиеся через волновод или другую среду передачи (например, световые импульсы, проходящие через волоконно-оптический кабель), или электрические сигналы, передаваемые по проводам.

Машиночитаемые программные инструкции для выполнения операций по настоящему изобретению могут быть инструкциями ассемблера, инструкциями архитектуры набора команд (ISA), машинными инструкциями, машинно-зависимыми инструкциями, микрокодом, инструкциями встроенного программного обеспечения, данными установки состояния или исходным кодом. или объектный код, написанный на любой комбинации одного или нескольких языков программирования, включая объектно-ориентированный язык программирования, такой как Smalltalk, C ++ или тому подобное, и обычные процедурные языки программирования, такие как язык программирования «C» или подобные языки программирования.Машиночитаемые программные инструкции могут выполняться полностью на компьютере пользователя, частично на компьютере пользователя, как автономный пакет программного обеспечения, частично на компьютере пользователя и частично на удаленном компьютере или полностью на удаленном компьютере или сервере. В последнем сценарии удаленный компьютер может быть подключен к компьютеру пользователя через сеть любого типа, включая локальную сеть (LAN) или глобальную сеть (WAN), либо соединение может быть выполнено с внешним компьютером (для Например, через Интернет с помощью Интернет-провайдера).В некоторых вариантах осуществления электронные схемы, включая, например, программируемые логические схемы, программируемые логические схемы (FPGA) или программируемые логические матрицы (PLA), могут выполнять машиночитаемые программные инструкции, используя информацию о состоянии машиночитаемых программных инструкций для персонализации электронную схему, чтобы реализовать аспекты настоящего изобретения.

В этом письменном описании используются примеры для раскрытия изобретения, включая лучший режим, и чтобы дать возможность любому специалисту в данной области техники применить изобретение на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных методов.Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые приходят на ум специалистам в данной области. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.

Обзор системы регулирования фаз газораспределения на JSTOR

Статья журнала

Обзор регулируемых фаз газораспределения клапанов двигателя

С.Серый

Сделки SAE

Издатель: SAE International

https://www.jstor.org/stable/44547399

Копировать

В этой статье представлен широкий обзор всего предмета регулирования фаз газораспределения, применяемого как к бензиновым, так и к дизельным двигателям, включая связанные технологии, такие как использование дополнительных клапанов во впускных каналах или коллекторах.Обсуждается текущая мотивация обеспечения регулируемых фаз газораспределения и состояние разработки механизмов для достижения этой цели, после чего дается прогноз возможных будущих тенденций.

SAE International - это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности. Основные направления деятельности SAE International - обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов.Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

× Закрыть оверлей

Закрыть просмотр

A Обзор и классификация механизмов регулируемого газораспределения на JSTOR

Статья журнала

Обзор и классификация механизмов регулируемого газораспределения

Томас Дреснер и Филип Баркан

Сделки SAE

Издатель: SAE International

https: // www.jstor.org/stable/44581022

Копировать

Механизмы для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания (VVT) были предметом почти 800 патентов США с 1880 года. Более 110 из этих патентов были выданы только за три года с 1985 по 1987 год. Кроме того, по VVT было опубликовано много технических статей. механизмы. Мы рассмотрели все эти патенты и большую часть литературы.В результате мы классифицировали все найденные механизмы по 15 основным концепциям, которые мы описываем и оцениваем в этой статье. Мы пришли к выводу, что VVT имеет большой потенциал, но очень мало из этого потенциала реализовано. На сегодняшний день серьезные трудности ограничивают применение системы изменения фаз газораспределения. Практически все механизмы VVT, предложенные до недавнего времени, страдают высокой стоимостью и сложностью, ограниченной изменчивостью и высокими скоростями удара. Усовершенствованная система описана в сопроводительной статье (1) *.

SAE International - это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности. Основные направления деятельности SAE International - обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

× Закрыть оверлей

Закрыть просмотр

Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Обзор достижений в области регулируемого срабатывания клапана двигателей внутреннего сгорания

1.Введение

В связи с растущим беспокойством по поводу энергетической безопасности и глобального потепления в мире предпринимаются усилия по разработке более эффективных транспортных средств с более низкими регулируемыми выбросами, включая гибридные электромобили, электромобили и автомобили на топливных элементах. Гибридные электромобили стали значительной частью производства транспортных средств из-за их общей эффективности, и они по-прежнему несут значительную потерю затрат, что привело к застойному проникновению на рынок в США на 3,2% и 2,7% в 2013 и 2018 годах соответственно. ), например [1].Электромобили достигли уровня проникновения на рынок 1,3% в США в 2018 году [1], что все еще ограничено высокой стоимостью и опасениями по поводу выбросов CO 2 , скорости зарядки, запаса хода, безопасности аккумуляторов и вопросов утилизации аккумуляторов. . Транспортные средства на топливных элементах предлагают действительно низкие общие выбросы, а запас хода и время заправки сопоставимы с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания. Водород [2], подходящее топливо для топливных элементов, может быть получен из различных источников, включая природный газ, ядерную энергию, уголь и возобновляемые источники, такие как солнечная энергия, ветер, биомасса, гидро- и геотермальные источники.Разработка транспортных средств на топливных элементах [3] все еще находится в зачаточном состоянии из-за проблем со зрелостью технологий, стоимостью и производительностью, поскольку на дорогах всего мира находится всего несколько тысяч пилотных автомобилей.

Считается, что двигатели внутреннего сгорания останутся основной частью трансмиссий транспортных средств в обозримом будущем, либо автономные, либо являющиеся частью высокоэлектрифицированных трансмиссий, таких как гибридные электрические транспортные средства, гибридные транспортные средства с подзарядкой от электросети и транспортные средства с увеличенным запасом хода, если только нет крупный технологический прорыв в технологии аккумуляторов и / или топливных элементов.По этим причинам необходимо продолжать разработку более эффективных и менее загрязняющих двигателей внутреннего сгорания.

1.1. Сжигание и необходимость электронного управления газообменом
Сгорание в двигателе внутреннего сгорания включает три ключевых компонента: топливо в цилиндре, воздух и зажигание. В бензиновых двигателях процесс впрыска топлива превратился из чисто механического процесса, такого как через карбюратор, в процесс с электронным управлением, такой как впрыск топлива через порт или недавно принятый направленный впрыск (см. Рисунок 1).Искровое зажигание через свечу зажигания полностью контролируется электроникой по энергии и времени искры. Электронное управление воздухообменом в газообразном состоянии, низкой плотности и, следовательно, большом объеме происходило медленно, от переменного времени клапана (VVT) до более сложных систем, таких как дискретный регулируемый подъем клапана (DVVL), непрерывно регулируемый подъем клапана (CVVL), регулируемое срабатывание клапана на основе кулачка (VVA) и VVA без кулачка, которые рассматриваются далее в этой статье. Также были предприняты усилия по разработке бескулачкового VVA для полного электронного управления процессом воздухообмена, который является основным инструментом для усовершенствованного сгорания, такого как воспламенение от сжатия гомогенного заряда (HCCI), для повышения экономии топлива двигателем и снижения выбросов [4,5,6 , 7].Для повышения топливной экономичности двигателя широко используются методы уменьшения габаритов двигателя с помощью турбонагнетателей. В этом случае система VVT, VVL или VVA может улучшить переходные характеристики системы двигателя.

В дизельных двигателях система впрыска топлива эволюционировала от чисто механических систем нагнетания и впрыска до впрыска топлива с общей топливной магистралью с помощью электронно-регулируемого давления топлива и форсунок. Обратите внимание, что синхронизация впрыска напрямую управляет зажиганием из-за воспламенения от сжатия. Регулирование газообмена в традиционных дизельных двигателях менее востребовано или разработано из-за воспламенения от сжатия и процесса обедненного сгорания.Более сложное управление воздушным зарядом необходимо для более сложных процессов сжигания, таких как цикл Миллера и PCCI. Однако этот обзор ограничен системами клапанов для бензиновых двигателей.

1.2. Подъем клапана, синхронизация клапана и продолжительность клапана
Основная функция системы приведения в действие клапана двигателя состоит в том, чтобы управлять газообменом в камеру сгорания и из нее через впускные и выпускные клапаны соответственно. Соответствующий подъем или ход клапана обычно изображается на диаграмме фаз газораспределения (см. Пример на рисунке 2), где определяются фазы газораспределения, подъем клапана и длительность клапана.Профиль подъема клапана описывает подъем клапана как функцию угла распредвала между его открытием и закрытием. Точки открытия и закрытия определяют фазы газораспределения в области угла поворота коленчатого вала и, таким образом, взаимосвязь между профилем подъема и остальными компонентами двигателя и событиями, такими как движение поршня и зажигание. Подъем клапана часто оптимизируется для минимальных потерь при перекачке. Часто высота подъема впускного и выпускного клапана одинакова, но диаметр впускного клапана больше, чем у выпускного, чтобы свежий воздух мог легко заправляться в цилиндр.Обратите внимание, что регулируемый подъем клапана может привести к дросселированию цилиндра за счет уменьшения подъема впускного клапана, чтобы снизить насосные потери, связанные с обычным дросселем. Однако для этого требуется очень тщательный контроль подъемной силы, чтобы соответствовать изменениям частоты вращения двигателя и условиям нагрузки, что еще предстоит полностью доказать. Перекрытие между отверстием впускного клапана и закрытием выпускного клапана является важным второстепенным параметром, который оказывает большое влияние на эффективность сгорания. Площадь под лифтовым профилем представляет собой емкость для газообмена.Для классификации систем приведения в действие клапана используются следующие определения:
  • Подъем клапана означает амплитуду, особенно пиковое значение, профиля подъема клапана.

  • Под синхронизацией клапана понимается фазовый сдвиг в области угла поворота коленчатого вала профиля подъема клапана, особенно при открытии и закрытии клапана, таких как EO, EC, IO и IC.

  • Длительность клапана относится к продолжительности, когда клапан остается открытым, то есть промежуток времени между событиями открытия и закрытия клапана.

Современные двигатели часто оснащены несколькими впускными и выпускными клапанами, например, двумя впускными и двумя выпускными клапанами. Подъем клапана, время и продолжительность могут быть оптимизированы для каждого отдельного клапана (например, с использованием технологии VVA) для оптимизации смешивания в цилиндре.

1.3. Классификация систем привода клапана

Системы привода клапана сначала классифицируются на две большие группы: системы с кулачковым приводом и системы без кулачка. В системе с кулачковым приводом используются выступы кулачка для приведения в действие подъема клапана, тогда как система без кулачка не включает в себя кулачковый механизм и изменяет подъем клапана с помощью гидравлического, электромагнитного или пневматического срабатывания для обеспечения гибкости в управлении.Системы приведения в действие клапана далее классифицируются на основании контролируемых параметров клапана.

Бесконтактные системы обычно предлагают большую гибкость и возможности управления, но их еще предстоит внедрить в производство из-за технических трудностей и коммерческих проблем. По этой причине в этом обзоре рассматриваются коммерческие системы на базе кулачков и только некоторые работы по разработке бескулачковых систем.

1.3.1. Системы привода клапана на основе кулачка

Система клапанного механизма на основе кулачка основана на традиционной системе кулачка для привода впускных и выпускных клапанов двигателя с ограниченным контролем фаз газораспределения и / или подъема, и теперь она широко применяется во многих новых производственные двигатели.К кулачковым системам относятся следующие:

  • Регулируемые фазы газораспределения: Независимо регулируется только фаза газораспределения, в то время как высота подъема клапана и продолжительность остаются неизменными. Системы VVT также называют фазовращателями кулачка (или распредвала). Системы VVT далее подразделяются на гидравлические (HVVT), механические (MVVT) и электрические (EVVT) типы в зависимости от конструкции соответствующих приводов фазирования кулачка. Многие производственные системы VVT представляют собой HVVT, использующие устройство, известное как вариатор, которое позволяет непрерывно регулировать синхронизацию кулачков, и EVVT становятся популярными для улучшения времени отклика системы при низкой температуре или запуске двигателя.Однако продолжительность и подъем не могут быть отрегулированы.

  • Переменная длительность клапана (VVD): Независимо регулируется только продолжительность клапана.

  • Регулируемый подъем клапана (VVL): Независимо регулируется только подъем клапана. Системы VVL также включают в себя дискретные конструкции VVL (DVVL) и непрерывные VVL (CVVL). Система DVVL включает механизм переключения профиля кулачка для активации одного из двух или трех профилей или выступов кулачка, а система CVVL включает механизм, способный непрерывно изменять профили срока службы.В большинстве, если не во всех, системах VVL лепестки и механизмы сконструированы таким образом, что длительность клапана увеличивается с подъемом клапана, что является фиксированной зависимостью, а не независимым контролем продолжительности клапана, хотя оно служит потребностям обычного горение. Следовательно, эти системы VVL сами по себе не классифицируются как системы VVT, VVD или VVA.

  • Регулируемый клапан с кулачковым приводом (VVA): Системы VVA с кулачком включают (1) тип VVL + VVT, который представляет собой комбинацию VVL (DVVL или CVVL) и VVT, и (2) потерянный тип (LMVVA).

Основные системы привода клапана на основе кулачка в серийных двигателях перечислены в таблице 1. Некоторые из них обсуждаются более подробно в следующих разделах.
1.3.2. Бескулачковые системы приведения в действие клапанов

Без ограничений со стороны кулачкового механизма бескулачковая система способна регулировать синхронизацию, продолжительность и подъем клапана независимо для достижения более желаемых целевых уровней, которые могут изменяться от цикла к циклу. Он также обеспечивает независимое управление клапанами двигателя для каждого цилиндра.Например, он может обеспечить асимметричное открытие двух впускных клапанов для одного цилиндра, что приводит к улучшенному смешиванию наддувочного воздуха и топлива. Он также может выполнять отключение цилиндра в условиях низкой нагрузки. Таким образом, она предлагает больший контроль с большими преимуществами, чем обычная система клапанов на основе кулачка. Бескулачковые системы включают в себя следующее:

  • Бескулачковые VVA с оппозитным соленоидом (или электромеханические) (EMVVA) [29,30,31,32,33,34];
  • Электрогидравлический бескулачковый VVA (EHVVA) [35,36,37];
  • Электропневматический бескулачковый ВВА (ЭПВВА) [38,39];
  • Роторный двигатель EMVVA, также называемый системой интеллектуального срабатывания клапана (IVA) компанией Camcon [33,34].
Бескулачковые системы являются ключевым техническим инструментом для других передовых технологий двигателей, таких как воздушные гибридные автомобили [40], HCCI [41] и высокоэффективные дизельные двигатели [42].

В последующих разделах различные системы срабатывания клапана сгруппированы и рассмотрены на основе параметров и структур управления срабатыванием клапана.

2. Система изменения фаз газораспределения (VVT)

Технология VVT была впервые применена к серийным двигателям Alfa Romeo в 1980 году, и теперь они широко используются в большинстве современных двигателей по всему миру, как показано в таблице 1.Системы VVT изначально были автономными системами для управления синхронизацией, и постепенно они были интегрированы с механизмами переменного подъема, чтобы стать частью системы VVA на основе кулачка, то есть VVL + VVT. Часто они применяются только к впускным клапанам. Их управление эволюционировало от двухступенчатого, то есть двух дискретных положений, в первые дни до непрерывного управления («Cont» в таблице 1) в более поздних двигателях.
2.1. Гидравлический VVT (HVVT)

Система HVVT включает фазозаборник или вариатор с гидравлическим приводом, конструкция которого развивалась в течение последних 40 лет.

Alfa Romeo Spider 2.0 L 1980 года имел первую систему VVT, которая представляла собой HVVT на впускном распредвале. В основе конструкции лежит запатентованная конструкция (патент США 4 231 330) инженером Alfa Romeo Джампаоло Гарсеа [43]. Фазер кулачка представляет собой цилиндр, содержащий камеру давления и поршень с винтовыми шлицами. Alfa Romeo называет его механическим VVT из-за спиральных шлицев и классифицируется как гидравлический VVT из-за гидравлического поршня. Под давлением масла через соленоидный клапан поршень слегка поворачивается из-за спиральных шлицев и опережает фазу впускных клапанов на 25 °, чтобы увеличить перекрытие клапанов двигателя, которое происходит между 1500 и 2000 об / мин и более 5000 об / мин.В противном случае фазы газораспределения остаются в естественном состоянии.

Большинство фазовращателей более поздних систем HVVT используют роторно-лопастной гидравлический двигатель, который приводится в действие маслом под давлением, управляемым электромагнитным клапаном. Фазер кулачка работает либо в двух режимах, либо, как в большинстве современных систем, непрерывно.

Система BMW single VANOS, впервые представленная в 1992 году на двигателе BMW M50, управляла синхронизацией впускного распределительного вала в одно из двух дискретных положений. В 1998 году на двигателе BMW M62 V8 была представлена ​​система VANOS с бесступенчатой ​​регулировкой.Двойная система VANOS, которая появилась на двигателе S50B32 в 1996 году, непрерывно регулирует синхронизацию впускного и выпускного распредвалов [44]. Максимальный диапазон изменения фаз по отношению к звездочке обычно составляет 60 ° [45]. Во время работы гидравлическая система VVT может быть уязвима из-за колебаний давления масла, качества масла, вязкости и загрязнения. Также существует случай, когда фазовращатель не получает достаточно масла из-за утечки из-за износа в системе смазки [46]. При низких температурах система может не иметь адекватного времени отклика из-за высокой вязкости масла, а гидравлическая система VVT не может быть активирована и должна оставаться в положении блокировки по умолчанию, так что характеристики холодного пуска и выбросы не могут быть улучшены [47] .Например, скорость фазирования распределительного вала гидравлического VVT падает примерно до половины от скорости электрического VVT и почти до нуля, когда рабочая температура падает с 90 ° C до 40 ° C и -10 ° C соответственно. При холодном запуске двигателя при -7 ° C выбросы углеводородов снижаются примерно на одну треть при замене гидравлического VVT на электрический VVT.
2.2. Механический VVT (MVVT)
Porsche разработал VarioCam, механический VVT, впервые использованный на 3,0-литровом двигателе 1992 года в Porsche 968 [1,8]. Он изменяет синхронизацию впускных клапанов, регулируя натяжение цепи привода ГРМ, соединяющей впуск и выпуск. распредвалы.Эта механическая конструкция не была сохранена в более поздней версии VarioCam Plus, в которой используется поворотно-пластинчатый гидравлический фазер, как в большинстве систем HVVT [1,4].
2.3. Электрический VVT (EVVT)
Проблемы, связанные с системами HVVT, рассмотренные выше, привели к разработке систем EVVT, что также стало возможным благодаря недавним достижениям в технологии двигателей с постоянными магнитами и значительному снижению стоимости приводов двигателей. Система изменения фаз газораспределения Toyota - интеллектуальная электрическая (VVT-iE), например, является разновидностью двойного VVT-i, путем замены гидравлического фазовращателя на электрический фазовращатель для фаз газораспределения впускных клапанов [47].Регулировка фаз выпускного распредвала по-прежнему регулируется с помощью гидравлического фазовращателя. Эта технология была впервые представлена ​​на Lexus LS 460 2007 г.в. как двигатель 1UR [18]. Во время работы электродвигатель в фазовращателе кулачка вращается вместе с впускным распределительным валом, работая с той же скоростью, чтобы поддерживать синхронизацию распределительного вала. Чтобы ускорить или замедлить синхронизацию распределительного вала, приводной двигатель вращается немного быстрее или медленнее, соответственно, чем частота вращения распределительного вала. Разница в скорости между приводным электродвигателем и синхронизацией распределительного вала используется для работы механизма, который изменяет синхронизацию распределительного вала.Характеристики EVVT в меньшей степени зависят от температуры и давления моторного масла [47], что обеспечивает лучшую точность управления и улучшает характеристики двигателя в более широком рабочем диапазоне. Точность управления и быстрая реакция системы VVT более важны для усовершенствованного сгорания, такого как HCCI, особенно для управления переходом режима сгорания между искровым зажиганием (SI) и сгоранием HCCI, где синхронизация кулачка двигателя должна следовать желаемой траектории для точного контролировать заряд двигателя и процесс рекомпрессии, как сформулировали Рен и Чжу [48].

3. Система с регулируемой продолжительностью работы клапана (VVD)

В 1993 году компания MG Rover разработала двигатель серии K объемом 1,4 л с системой регулируемого управления клапанами (VVC), который стал первой производственной системой VVD непрерывного действия (CVVD). В его основе лежит эксцентриковый вращающийся диск, который приводит в действие впускные клапаны каждых двух цилиндров. Поскольку эксцентричная форма создает нелинейное вращение, период открытия клапанов можно изменять, управляя эксцентричным положением диска. Основная концепция была разработана Митчеллом, опубликована и запатентована еще в 1973 году [49].В этой конструкции управление предназначено исключительно для изменения продолжительности клапана с фиксированным подъемом клапана, что отличается от различных конструкций DVVL или CVVL. В 2019 году Hyundai Motor Group объявила, что она разработала технологию CVVD для использования в Smartstream G1.6 T. -GDi для будущих автомобилей Hyundai и Kia [50,51,52]. Их конструкция основана на концепции, раскрытой Kim et al. [53]. Это также включает использование некоторых штифтов и пазов для эксцентрического выравнивания. С изменением продолжительности в зависимости от условий движения он может обеспечить повышение производительности на 4% и повышение эффективности использования топлива на 5%.Технология CVVD также помогает снизить выбросы выхлопных газов на 12% [50].

4. Дискретная система VVL (DVVL) и связанные системы VVA

Дискретная система VVL (DVVL) включает в себя механизм переключения профиля кулачка для активации одного из двух или трех профилей или лепестков кулачка, и она становится VVA на основе кулачка (или DVVL + VVT), когда дополнительно включен механизм VVT. Применения систем DVVL и DVVL + VVT включают, но не ограничиваются ими, Honda, Audi, Subaru, Proton, Yamaha, Mitsubishi, Nissan, Porsche, Toyota, Honda и Audi, как показано в таблице 1.В 1989 году Honda запустила в компании Integra первую в мире коммерческую систему DVVL в автомобильном двигателе, названную системой электронного управления фазами газораспределения и подъема (VTEC) [10,19,54]. VTEC использует два (а иногда и три) профиля распредвала впускных клапанов, переключаемые с помощью фиксирующих штифтов коромысел с гидравлическим приводом. В системе изменение времени фиксировано в профилях кулачка и не зависит от изменения подъемной силы. Затем в 2001 году Honda запустила систему VVA на основе кулачков, называемую интеллектуальным VTEC (i-VTEC), в четырехцилиндровых двигателях DOHC высокой мощности, добавив непрерывную фазировку впускных кулачков (синхронизацию) к традиционному VTEC.Элементы управления VTEC по-прежнему ограничены отдельными профилями низких и высоких оборотов, но теперь распредвал впускных клапанов может перемещаться между 25 ° и 50 °, в зависимости от конфигурации двигателя [55]. В 1992 году Mitsubishi выпустила первый в мире кулачковый вал. Система VVA, система DVVL + VVT, называемая инновационной электронной системой управления фазами газораспределения Mitsubishi (MIVEC). Он имеет низкие подъемную силу и высокий подъем профили кулачка для низкоскоростных и высокоскоростных режимов двигателя, соответственно, которые переключаются с помощью механизма стопорного штифта.Кулачки с низким подъемом и коромысла, используемые для приведения в действие отдельных впускных клапанов, расположены с двух сторон от центрального кулачка с высоким подъемом. Каждый впускной клапан приводится в действие кулачком низкого подъема и коромыслом, а Т-образный рычаг между ними включает кулачок высокого подъема [15]. Система VVT-i от Toyota имеет аналогичный механизм переключения [18].

В 1999 году Toyota выпустила интеллектуальную систему изменения фаз газораспределения и подъема (VVTL-i или VVT-iL). Концепция Toyota VVTL-i, включая ее систему изменения подъема с помощью стопорных штифтов коромысла, аналогична концепции Honda i-VTEC.Каждый кулачок имеет два выступа: один предназначен для работы на низкой скорости, а другой - для работы на высокой скорости, с большим подъемом и большей продолжительностью.

В 1999 году Porsche представила VarioCam Plus, систему DVVL + VVT на стороне впуска. Функция подъема двухлопастного клапана выполняется переключаемыми толкателями с электрогидравлическим управлением. Каждый из этих 12 толкателей состоит из концентрических подъемников, которые можно заблокировать пальцем. Внутренний подъемник и внешний кольцевой элемент приводятся в действие небольшим выступом кулачка и парой выступов большего профиля соответственно.Выбор фаз газораспределения каждого клапана плавно регулируется с помощью электрогидравлического фазовращателя с пластинчато-поворотными кулачками [1,4]. В 2006 году Audi представила для двигателя 1,8 л TFSI систему подъема клапанов Audi (AVS) [11]. Он использует скользящие электромагнитные втулки на распределительном валу для изменения подъема клапанов в два этапа в зависимости от нагрузки и скорости двигателя. Таким образом, система увеличивает крутящий момент, одновременно снижая расход топлива. Доступны две версии системы AVS: (1) в двигателях V6, в которых используется AVS, она воздействует на впускные клапаны, регулируя количество всасываемого воздуха, так что дроссельная заслонка может оставаться широко открытой для свободного дыхания даже при частичной нагрузке. , таким образом уменьшая потери газа и повышая эффективность; (2) в последнем поколении 2.0 TFSI, AVS изменяет высоту подъема выпускных клапанов, тем самым снижая потери на промывку в камере сгорания и обеспечивая оптимальный поток выхлопных газов к турбонагнетателю.

5. Непрерывная система VVL (CVVL) и связанные системы VVA

Система непрерывной VVL (CVVL) включает в себя механизм, способный непрерывно изменять профиль подъема, и становится системой VVA на основе кулачка (или CVVL + VVT), когда механизм VVT дополнительно включен. Применения систем CVVL и CVVL + VVT включают, но не ограничиваются, приложениями BMW, PSA, Hyundai, Nissan и Toyota, как показано в таблице 1.В 2001 году BMW представила первую в мире систему CVVL + VVT, а также первую систему CVVL, названную системой Valvetronic [45,56]. Система Valvetronic сочетает в себе двойную систему изменения фаз газораспределения VANOS для впускных и выпускных клапанов с их системой CVVL для управления подъемом впускного клапана. Система CVVL включает в себя эксцентриковый вал, приводимый в движение электрическим шаговым двигателем, и распределительный вал, при этом распределительный вал приводится в движение фазером VANOS. Высота подъема клапана может варьироваться от 0,18 мм до 9,9 мм. Позже, в 2002 году, PSA Peugeot Citroën и BMW совместно разработали двигатель с регулируемым высотой подъема клапана и впрыском (VTi) на основе концепции Valvetronic [23].В 2007 году Toyota представила на модели Noah систему Valvematic, которая по сути представляет собой комбинацию VVT-i и механизма бесступенчатого подъема клапана (CVVL) для впускного клапана. Эта система функционально аналогична, конструктивно проще и компактнее, чем BMW Valvetronic. Он изменяет подъем впускного клапана в диапазоне от 0,9 мм до 10,9 мм с соответствующим или связанным диапазоном продолжительности открытия клапана от 106 ° до 260 ° по углу поворота коленвала [26]. В 2007 году Nissan запустил систему VVA на основе кулачков, объединив ее системы непрерывного управления фазами газораспределения (CVTC) и системы переменного события и подъема клапана (VVEL), которые являются механизмами VVT и CVVL соответственно [24,25].Он работает аналогично системе BMW Valvetronic, но с десмодромным контролем выходного кулачка, что позволяет VVEL работать на более высоких оборотах двигателя. Система Nissan VVEL включает в себя коромысло и два типа звеньев, которые открывают впускные клапаны, передавая вращательное движение приводного вала с эксцентриковым кулачком на выходной кулачок. Движение выходного кулачка варьируется путем вращения вала управления с помощью шагового двигателя постоянного тока (DC) и изменения точек опоры звеньев. В 2012 году Hyundai выпустила систему CVVL [20], отличающуюся своей компактностью, т.е.е., без увеличения высоты двигателя, с использованием уникального шестрычажного механизма. В 2018 году Great Wall стала одним из первых китайских OEM-производителей, запустивших систему CVVL + VVT [21].

6. VVA с задержкой движения (LMVVA)

Различные системы с задержкой движения были раскрыты во многих патентах, например, US 4671221, US 5193494, US 5839400, US 6053136, US 6553950, US 6918364, US 681476, US 7819100, US 8578901, US 8820276, US 8776738 и US 9625050.

Fiat Powertrain Technologies и Schaeffler Group разработали единственные системы массового производства под торговыми марками MultiAir и UniAir соответственно, которые были впервые представлены на Женевском автосалоне 2009 года на автомобиле Alfa Romeo MiTo. и были переданы в 2017 году Jaguar Land Rover по лицензии на семейство двигателей Ingenium.

В системе MultiAir соленоидный клапан регулирует гидравлическое давление в канале, соединяющем впускные клапаны и распределительный вал [27]. Электромагнитный клапан регулирует количество масла, которое перекачивается кулачковым действием либо в клапан, либо в байпасный резервуар. Под давлением гидравлическая линия ведет себя как твердое тело и передает график подъема, сообщаемый впускным кулачком, непосредственно на впускной клапан в режиме полного подъема клапана для максимальной мощности. Когда соленоид отключен, пружина берет на себя срабатывание клапана, теряя четкую передачу движения от кулачка в других трех режимах, которые являются режимом раннего закрытия впускного клапана, режимом позднего открытия впускного клапана и режимом мульти-подъема, таким образом, название потеряло движение.Эта электрогидравлическая связь обеспечивает независимую работу двух компонентов, в результате чего обеспечивается определенный контроль над профилями подъема клапана. Закрытый соленоид держит гидравлическую жидкость под давлением, передавая профиль впускного кулачка на клапан обычным образом, в то время как открытый соленоид разрывает эффективную связь между кулачком и клапаном, разъединяя их профили [27].

Эта система не является полной системой VVA, потому что фазы газораспределения и продолжительность не являются независимыми от подъемной силы в каждом из трех режимов потери хода, хотя можно выбрать три разных зависимости, т.е.е., изменчивость или гибкость управления среди этих трех режимов. Событие открытия впускного клапана не может быть сдвинуто вперед или влево от события на максимальной мощности, что может быть необходимо для определенных операций EGR. Кроме того, событие закрытия впускного клапана не может быть продолжено за пределами или справа от этого события на максимальной мощности, что может быть необходимо для определенных циклов Миллера.

Jacobs Vehicle Systems Inc. также разработала свою собственную версию системы VVA с ограниченным движением с упором на эффективность дизельного двигателя и оптимизацию последующей обработки [57].Он включает в себя возможность двухпозиционного управления вторичными событиями для IEGR и торможения двигателем, высокую нагрузочную способность для раннего открытия выхлопных газов и торможения двигателем, а также встроенную защиту от контакта клапана с поршнем. Совсем недавно были предприняты усилия Gongda Power [ 58] и Шаньдунского университета [59] о замене соленоидных клапанов для отдельных приводов поворотными клапанами с электроприводом, общими для группы приводов, для достижения более стабильной и быстрой реакции при низкой температуре и / или для разработки альтернативного оборудования, но при цена потери независимой управляемости для отдельных приводов в группе.В системе Gongda Power [58] используются два поворотных клапана с приводом от электродвигателя вместо одного клапана, разработанного Шаньдунским университетом [59], чтобы добавить гибкость управления для достижения цикла Миллера, позволяя гораздо более позднее закрытие впускного клапана для снижения насосных потерь и снижения количества воздуха. температура. Он также может включать специальный выступ кулачка для более раннего открытия выпускного клапана и, таким образом, функции компрессионного тормоза для дизельного двигателя.

9. Электропневматические системы VVA (EPVVA)

Было проведено несколько исследований и разработок в области электропневматических систем VVA (EPVVA) [38,39,87,88,89].В качестве рабочей среды воздух в электропневматической системе лучше гидравлической жидкости в электрогидравлической системе с точки зрения нечувствительности его вязкости к температуре системы. Утечка воздуха также не создает проблемы загрязнения. Однако Уотсон и Уэйкман [88] обнаружили следующие проблемы с пневматическим приводом:
  • Проблемы с шумом, связанные с выпуском воздуха, дросселированием и жесткой посадкой клапана, связанные с чисто пневматической конструкцией привода.

  • Проблемы с повторяемостью в управлении лифтом из-за гибкости воздуха.

  • Проблемы с размером, по крайней мере, для их конкретной конструкции, из-за предела пикового давления воздуха.

Наиболее серьезная разработка системы EPVVA была проведена шведской компанией Freevalve AB, бывшей Cargine и дочерней компанией Koenigsegg Automotive AB, которая разработала систему EPVVA под торговой маркой Freevalve на существующем автомобильном двигателе SAAB [89,90 ]. Технология Freevalve также появилась в четырехцилиндровом двигателе Qoros 1,6 л [89,91]. Система Freevalve включает в себя пневматические приводы клапана для открытия, пружины для закрытия клапана и датчики положения для управления с обратной связью.Должен быть включен масляный демпфирующий механизм, как показано в ссылке [38], чтобы помочь решить проблему с посадкой, и поэтому эта технология также называется электрогидравлическим пневматическим приводом [89]. Заявленные преимущества включают увеличение мощности и крутящего момента до 30%, повышение экономии топлива до 30% и снижение общих выбросов на 50%, согласно отчету [90], опубликованному в 2013 году. Ma et al. [38] предложили схему адаптивного управления подъемом для ранней версии технологии Freevalve, чтобы улучшить повторяемость подъема впускного клапана.Была разработана ориентированная на управление модель электропневматического клапана, которая использовалась для адаптивной идентификации параметров, а также была разработана схема управления подъемом клапана с обратной связью, использующая идентифицированные параметры в режиме реального времени. Основные методы управления, используемые в процессе, включают адаптацию эталонной модели и правило MIT [92]. В результате погрешности максимального установившегося подъема были менее 0,4 мм при высоком подъеме клапана и менее 1,3 мм при малом подъеме клапана, что все еще недостаточно точно для коммерческого применения.

10. Отслеживание профиля клапана в бескулачковых системах VVA

В двигателе без распределительного вала точность и точность электронного управления профилем клапана критически важны для достижения желаемых характеристик двигателя. Отслеживание профиля клапана включает следующие основные цели управления для большинства применений без бруса [81]:
1)

Управление синхронизацией клапана для оптимальной фазы сгорания и предотвращения столкновений клапанов.

2)

Управление подъемом клапана.

3)

Контроль площади профиля (интеграция профиля подъема клапана во времени или угла поворота коленчатого вала) для точного воздухообмена.

4)

Мягкое седло клапана двигателя для снижения шума и увеличения срока службы.

Как отмечалось Li et al. [81], общее управление длительностью клапана и управление переходной характеристикой клапана (подъем и спад), изученные в литературе, можно разделить на управление фазами газораспределения и управление площадью профиля, соответственно.Для традиционных клапанов двигателя с кулачковым механизмом указанные выше четыре свойства гарантируются правильной конструкцией профиля кулачка. Для бескулачковых VVA эти цели управления могут быть достигнуты либо частично, либо одновременно, в зависимости от конкретной конструкции системы VVA и ее применения. Адаптивное управление пиковой подъемной силой было использовано Levin et al. [93] для EMVVA и Ma et al. [94] для EPVVA для достижения надлежащей повторяемости подъема клапана. Управление с прямой связью использовалось для управления фазами газораспределения для компенсации задержек открытия или закрытия клапана для EHVVA и EPVVA Liao et al.[95] и Ma et al. [38], соответственно. Мягкое управление сиденьем является проблемой для EMVVA из-за нелинейной магнитной силы, и это один из наиболее изученных предметов в этой области. Peterson et al. [96] изучали гарантированный отклик клапана с использованием экстремального контроля. Tai и Tsao [97] использовали комбинацию линейно-квадратичного регулятора с прямой связью и управления повторяющимся обучением для уменьшения межцикловых вариаций. Эти схемы управления [96,97] были предназначены для единственного или множественного контроля.Другие рассматривали общий контроль профиля клапана как единственную проблему слежения. Ван и Цао [98], например, применили комбинацию эталонного управления моделью и повторяющегося управления для достижения асимптотического отслеживания профиля. Эяби и Вашингтон [99] применили управление скользящим режимом для достижения воспроизводимых характеристик отслеживания с гарантированной скоростью посадки. Кроме того, проводились исследования, связанные с применением систем EMVVA при переходе между режимами горения SI и HCCI [63], стратифицированном обедненном горении [69] и турбулентном струйном зажигании [64].Для системы EHVVA Sun and Kuo [100] и Gillella et al. [101] доказали эффективность надежного повторяющегося управления и изменяющегося во времени управления на основе внутренней модели, соответственно, в отслеживании желаемого профиля клапана как в установившемся, так и в переходном режиме работы двигателя. Для системы EHVVA Lou et al. [84], Ли и др. [81] изучали проблему отслеживания профиля без необходимости сложной схемы управления из-за присущей ей надежной природы управления лифтом и управления скоростью сидения.Тем не менее, управление фазами газораспределения и площадью профиля все еще остается сложной задачей из-за нелинейной и изменяющейся во времени природы гидравлической системы, включая нелинейную динамику потока и чувствительную к температуре вязкость жидкости [83,102].